WO2015102254A1 - 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치 - Google Patents

펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치 Download PDF

Info

Publication number
WO2015102254A1
WO2015102254A1 PCT/KR2014/012116 KR2014012116W WO2015102254A1 WO 2015102254 A1 WO2015102254 A1 WO 2015102254A1 KR 2014012116 W KR2014012116 W KR 2014012116W WO 2015102254 A1 WO2015102254 A1 WO 2015102254A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
proton
optical
wavelength conversion
light
optical fiber
Prior art date
Application number
PCT/KR2014/012116
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
신동호
김미영
김주영
손재만
이세병
임영경
황의중
Original Assignee
국립암센터
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국립암센터 filed Critical 국립암센터
Priority to US15/108,852 priority Critical patent/US9671508B2/en
Publication of WO2015102254A1 publication Critical patent/WO2015102254A1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T5/00—Recording of movements or tracks of particles; Processing or analysis of such tracks
    • G01T5/08—Scintillation chambers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1042—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy with spatial modulation of the radiation beam within the treatment head
    • A61N5/1043—Scanning the radiation beam, e.g. spot scanning or raster scanning
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1048—Monitoring, verifying, controlling systems and methods
    • A61N5/1075—Monitoring, verifying, controlling systems and methods for testing, calibrating, or quality assurance of the radiation treatment apparatus
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/22—Measuring radiation intensity with Cerenkov detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N2005/1085—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy characterised by the type of particles applied to the patient
    • A61N2005/1087—Ions; Protons

Definitions

  • the present invention relates to a device for detecting the position and dose distribution of a therapeutic proton source, and more particularly, a proton line capable of precisely monitoring the position and dose distribution of a therapeutic proton line emitted in a pencil beam scanning mode in real time. It relates to a detection device.
  • various irradiation methods are used to deliver a proton beam generated from an accelerator such as a cyclotron or a synchrotron to a patient for radiotherapy using a proton.
  • the most common proton beam delivery method currently introduced and used in proton treatment organs is a scattering mode for generating a large-area therapeutic irradiation surface by striking and scattering protons on a target of a certain substance.
  • the treatment method using the scattering mode is used to control the radiation of the secondary shields such as neutrons and gamma rays, and the radiation shielding and activation of the compensator made of acrylic material.
  • the secondary shields such as neutrons and gamma rays
  • the radiation shielding and activation of the compensator made of acrylic material.
  • the proton beam delivery mode using the pencil beam scanning mode is a method of delivering a dose distribution of various energies to the patient by using a combination of scanning magnets, which has been impossible in the scattering mode.
  • IMPT Modulation Proton Therapy
  • the pencil beam scanning method controls the beam by using a combination of magnets, so that the use of scatterers and shields becomes unnecessary, thereby fundamentally eliminating side effects caused by secondary radiation caused by secondary rays and neutrons.
  • the proton beam transfer method using the pencil beam scanning mode uses a single pencil because the dose distribution is composed of a combination of numerous pencil beams, unlike the double scattering method in which the beam is flatly generated using a lead scatterer to examine the same dose distribution. If the position of the beam is different, there is an error in dose and dose distribution to the patient, so verification of this is essential. In particular, as there is a possibility that an error occurs in a moving organ, it is necessary to verify the therapeutic dose accuracy of the therapeutic proton beam delivered in the proton pencil beam injection mode in order to reduce the dynamic uncertainty factor and obtain an optimized treatment result.
  • the proton dose distribution (Range, Spread-out Bragg peak, etc.) and treatment dose are not accurately determined in the human body, the therapeutic effect is rather rapidly reduced or even the dose is delivered to the radiation-sensitive tissues or organs. This is because there is a problem that can cause serious side effects.
  • the dose measurement of the proton treatment method using the pencil beam scanning mode is impossible to measure using the three-dimensional water phantom, unlike the existing scattering mode, and the device for verifying the accurate dose distribution has not been developed yet. .
  • the present invention provides a therapeutic proton beam detection device for releasing in a pencil beam scanning mode that can accurately detect the position and dose of the therapeutic proton beam emitted in a pencil beam scanning mode to improve the accuracy of proton treatment.
  • the present invention as a means for solving the above technical problem
  • the proton line traveling position detecting unit is arranged such that the therapeutic proton lines emitted in the pencil beam scanning mode penetrate the plane formed by the array of the plurality of first optical fibers and the plane formed by the plurality of second optical fibers.
  • a proton beam detection apparatus for therapeutic release in a pencil beam scanning mode is provided.
  • the direction in which the first optical fiber is arranged and the direction in which the second optical fiber is arranged may be orthogonal to each other.
  • the proton line traveling position detection unit may further include a frame fixing the first optical fiber and the second optical fiber.
  • the light detection unit for detecting light for each optical fiber included in the plurality of first optical fibers and the plurality of second optical fibers; And a signal processor configured to calculate a propagation position of the proton line according to the position of the optical fiber from which light is detected by the photodetector.
  • Optical wavelength conversion disks Optical wavelength conversion disks; And a proton dose distribution detection unit including a plurality of light wavelength conversion means each including an optical wavelength conversion optical fiber disposed along an outer circumference of the optical wavelength conversion disk.
  • the plurality of wavelength conversion means are stacked such that the upper and lower surfaces of the optical wavelength conversion disks face each other,
  • the proton dose distribution detection unit provides a proton beam detection apparatus for therapeutic emission emitted in a pencil beam scanning mode, wherein the proton beams emitted in a pencil beam scanning mode are arranged to be incident on the optical wavelength conversion disk.
  • the optical wavelength conversion disk may include a blue wavelength conversion material for converting ultraviolet light into blue light.
  • the optical wavelength conversion optical fiber may include a green wavelength conversion material for converting blue light into green light.
  • the proton dose distribution detection unit may further include a light reflection film formed on the upper and lower surfaces of the structure including the optical wavelength conversion disk and the optical wavelength conversion optical fiber.
  • the light detection unit for detecting light for each of the plurality of wavelength conversion optical fibers; And a signal processing unit configured to calculate the arrival position of the proton line according to the position of the optical fiber from which light is detected by the photodetector.
  • a proton line traveling position detector including a plurality of first optical fibers arranged along a first direction and a plurality of second optical fibers arranged along a second direction different from the first direction;
  • Optical wavelength conversion disks Optical wavelength conversion disks; And a proton dose distribution detection unit including a plurality of light wavelength conversion means each including an optical wavelength conversion optical fiber disposed along an outer circumference of the optical wavelength conversion disk.
  • the proton line traveling position detection unit is disposed to penetrate the proton line for treatment emitted in the pencil beam scanning mode through a plane formed by the array of the plurality of first optical fibers and a plane formed by the plurality of second optical fibers,
  • the plurality of optical wavelength converting means are stacked such that the upper and lower surfaces of the optical wavelength converting disk face each other, and the proton dose distribution detecting unit is disposed so that the therapeutic proton lines emitted in the pencil beam scanning mode are incident on the optical wavelength converting disk.
  • the proton dose distribution detection unit is disposed below the proton line traveling position detector along the advancing direction of the proton line such that planes formed by the plurality of first optical fibers and the plurality of second optical fibers are parallel to the upper and lower surfaces of the optical wavelength conversion disk.
  • a therapeutic proton ray detection device for release in a pencil beam scanning mode.
  • the light detection unit for detecting light for each optical fiber included in the plurality of first optical fibers and the plurality of second optical fibers and for each of the plurality of optical wavelength conversion optical fibers; And a signal processor configured to calculate a propagation position of the proton line and an arrival position of the proton line according to the position of the optical fiber from which light is detected by the photodetector.
  • the present invention it is possible to improve the accuracy of proton treatment by precisely detecting the position and dose of the therapeutic proton line emitted in the pencil beam scanning mode in real time, thereby proton beam is delivered to the organs of the patient not being treated. There is an excellent effect to minimize side effects such as caused by and to significantly improve the efficiency of proton treatment.
  • Figure 2 is an exploded perspective view showing in more detail the proton beam progress position detection unit of the therapeutic proton beam detection device emitted in the pencil beam scanning mode according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is an exploded perspective view showing in more detail the proton dose distribution detection unit of the therapeutic proton beam detection apparatus emitted in the pencil beam scanning mode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view showing in more detail the means for converting light wavelengths of the proton dose distribution detection unit shown in FIG. 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a cross section taken along line AA ′ of the light wavelength conversion unit illustrated in FIG. 4.
  • Proton dose distribution detection unit 20 for detecting the proton dose distribution according to the configuration is configured to include.
  • the proton beam progress position detector 10 and the proton dose distribution detector 20 may be implemented with only one of two elements depending on the selection of information to be detected.
  • the therapeutic proton beam detection apparatus emitted in the pencil beam scanning mode includes an optical signal generated by the proton beam progress position detecting unit 10 and an optical signal generated by the proton dose distribution detecting unit 20.
  • 40 and the display unit 50 for displaying the result calculated by the signal processor 40 may be configured.
  • Figure 2 is an exploded perspective view showing in more detail the proton beam progress position detection unit of the therapeutic proton beam detection device emitted in the pencil beam scanning mode according to an embodiment of the present invention.
  • the proton beam traveling position detector 10 includes a plurality of first optical fibers 121 arranged along a first direction and a plurality of second optical fibers 131 arranged along a second direction different from the first direction. It may be configured to include). Each of the plurality of first optical fibers 121 and the plurality of second optical fibers 131 are disposed on one plane to constitute one layer 12 and 13 (hereinafter, referred to as a first optical fiber layer and a second optical fiber layer). can do.
  • the first optical fiber layer 12 and the second optical fiber layer 13 may have a structure arranged up and down each other.
  • first direction in which the first optical fiber 121 is arranged and the second direction in which the second optical fiber 131 is arranged may be different directions from each other, and may preferably be perpendicular to each other.
  • first optical fiber 121 may be arranged in a direction parallel to the y axis to form an x coordinate value
  • the second optical fiber 131 may be in a direction parallel to the x axis.
  • Each of the plurality of first and second optical fibers 121 and 131 may have a rectangular cross section, and thus the entire front surface of the plurality of first and second optical fibers 121 and 131 may be filled with a medium.
  • the plurality of first optical fibers 121 may be connected to one photodetector 31, and the plurality of second optical fibers 131 may be connected to another photodetector 32.
  • the proton beam traveling position detection unit 10 may further include frames 11a and 11b that fix the first and second optical fiber layers 12 and 13 stacked on top and bottom.
  • the frames 11a and 11b are in contact with and fixed to upper and lower edge regions of the first optical fiber layer 12 and the second optical fiber layer 13, and the first optical fiber layer 12 and the second optical fiber layer 13 are stacked.
  • the top and bottom of the structure can be exposed.
  • Figure 3 is an exploded perspective view showing in more detail the proton dose distribution detection unit of the therapeutic proton beam detection apparatus emitted in the pencil beam scanning mode according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a perspective view showing in more detail the optical wavelength conversion means of the proton dose distribution detection unit shown in FIG. 3.
  • 5 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the line AA ′ of the light wavelength conversion means shown in FIG. 4.
  • the proton dose distribution detection unit 20 of the therapeutic proton beam detection apparatus emitted in the pencil beam scanning mode includes a plurality of optical wavelength conversion means 21.
  • Each of the plurality of wavelength conversion means 21 may include an optical wavelength conversion disk 211 and an optical wavelength conversion optical fiber 212 disposed along the outer periphery of the optical wavelength conversion disk 211.
  • each of the plurality of wavelength conversion means 21 may further include a light reflection film 213 formed on the upper and lower surfaces of the structure consisting of the optical wavelength conversion disk and the optical wavelength conversion optical fiber.
  • the proton dose distribution detection unit 20 is a means for detecting the proton dose passing therethrough, and the plurality of light wavelength conversion means 21 may be arranged in a structure in which upper and lower surfaces of the light wavelength conversion disk 211 are stacked to face each other. In addition, the proton dose distribution detection unit 20 may be arranged such that the therapeutic proton beam emitted in the pencil beam scanning mode is incident on the optical wavelength conversion disk 211 of the optical wavelength conversion means 21.
  • the optical wavelength conversion optical fiber 212 included in the plurality of optical wavelength conversion means 21 may be connected to the light detector 33.
  • the plurality of wavelength converting means 21 has a stacked structure along the direction in which the proton lines travel, and each of the plurality of wavelength converting means 21 may generate light when the proton lines pass. Therefore, when the stacking position of the light wavelength converting means 21 in which light is generated can be confirmed, the position where the proton line reaches. That is, the proton dose distribution detecting unit 20 in which the plurality of light wavelength converting means 21 are stacked is disposed under the proton line traveling position detecting unit 10 described above, but the plurality of first optical fibers 121 and the plurality of second electrodes are disposed.
  • the proton lines travel in the rectangular coordinates by the plurality of first optical fibers 121 and the plurality of second optical fibers 131.
  • the x coordinate and the y coordinate can be detected, and the plurality of light wavelength conversion means 21 can determine the z coordinate at which the proton beam arrives at the rectangular coordinate.
  • Photodetectors 31 and 32 respectively connected to the first optical fiber 121 and the second optical fiber 131 of the proton line traveling position detector 10 and the optical wavelength conversion optical fiber 212 of the proton dose distribution detection unit 20, respectively; 33 detects the optical signals transmitted from the first optical fiber 121, the second optical fiber 131 and the optical wavelength conversion optical fiber 212 for each individual optical signal, and converts the detected results into electrical signals and outputs the multichannel optical detection.
  • the light detector 31 may be connected to the plurality of first optical fibers 121 to form one channel for each of the first optical fibers 121 to detect light and output the result as an electrical signal.
  • the photodetector 32 forms one channel for each of the plurality of second optical fibers 131 to detect light
  • the photodetector 33 forms one channel for each of the plurality of wavelength conversion optical fibers 212.
  • the photo detectors 31-33 may be implemented as a multi-anode photomultiplier tube (MAPMT), a photodiode array, or a semiconductor photo-multiplier array.
  • MAPMT multi-anode photomultiplier tube
  • a photodiode array or a semiconductor photo-multiplier array.
  • the signal processor 40 may receive the light detection result transmitted from the light detectors 31 to 33 and process the same to generate information on the proton line position and the proton dose distribution. More specifically, the signal processor 40 receives an electric signal detecting the light transmitted from the light detectors 31 to 33 and converts it into a digital signal, and processes the signal according to a preprogrammed routine using the converted digital signal. Desired information (proton line position and / or proton dose distribution) can be calculated. In general, the signal processor 40 may be implemented by data acquisition (Data AcQuisition: DAQ) programmable by a user.
  • Data AcQuisition DAQ
  • the display unit 50 is an element for visually displaying the information calculated by the signal processor 40 and may be implemented as a general computer system (desktop PC, notebook PC, tablet PC, etc.).
  • the display unit 50 not only displays information provided by the signal processor 40, but also provides an interface device that allows a user to provide a command for program and data request, processing, and modification to the signal processor 40. Can be.
  • FIG. 1 illustrates an embodiment including a proton line progress position detecting unit 10 and a proton dose distribution detecting unit 20 of a therapeutic proton ray detecting device emitted in a pencil beam scanning mode according to an embodiment of the present invention.
  • the proton source that emits the proton line in the pencil beam scanning mode may be positioned above the proton line traveling position detector 10.
  • the proton source that emits the proton line in the pencil beam scanning mode scans the proton line in a downward direction in which the proton line advancing position detecting unit 10 is disposed, and the proton line passes through the proton line advancing position detecting unit 10 to the lower portion thereof.
  • the light may be incident on the light wavelength converting means 21 of the arranged proton dose distribution detecting unit 20.
  • the proton line In the process of passing the proton line emitted from the source in the pencil beam scanning mode through the proton line traveling position detecting unit 10, the proton line is partially and plurality of the plurality of first optical fibers 121 of the proton line traveling position detecting unit 10. Part of the second optical fiber 131 is to pass through.
  • proton rays pass through the optical fiber, high energy electron beams are generated by the proton beams, which generate photons by the Cerenkov radiation effect in the optical fiber. That is, light may be generated in the optical fiber through which the proton lines pass.
  • the Cherenkov radiation effect is the effect of generating photons (light) in a conical shape with a constant angle around the line of incidence when the charged particles penetrate the medium at a rate faster than the speed of light in the medium. It happens.
  • the Cherenkov light is generated in the first optical fiber through which the proton lines pass among the plurality of first optical fibers 121, and the Cherenkov light is generated in the second optical fiber through which the proton lines pass among the plurality of second optical fibers 131.
  • the plurality of first optical fibers 121 and the plurality of second optical fibers 131 form one channel, respectively, and light detection is performed by the photodetector 30. Accordingly, when the photodetector 30 detects light from the first optical fiber and the second optical fiber generated by the passage of proton beams and transmits the light to the data processor 40, the data processor 40 generates the first light.
  • the data processing unit 40 is configured to detect the position of the first optical fiber that detected light and the light that detects the light. 2 It is possible to calculate the position where the proton line passes in the form of the xy coordinate value of the Cartesian coordinate system by identifying the position of the optical fiber.
  • the proton line passing through the proton line traveling position detecting unit 10 is incident to the proton dose distribution detecting unit 20 under the proton line.
  • the proton line passes through the optical wavelength conversion disk 211 of the optical wavelength conversion means 21 in the proton dose distribution detection unit 20, as described above.
  • Light is generated within 211. That is, the high-energy secondary electrons (above 177 KeV) that protons react with the material in the optical wavelength conversion disk emit Cherenkov photons.
  • Cherenkov photons are emitted from ultraviolet light in the 200 nm region and have a wavelength band covering most of the visible region.
  • the emission probability of Chelankov light is inversely proportional to the square of the wavelength, most photons are emitted in the wavelength band of the ultraviolet (UV) region.
  • the optical wavelength conversion disk 211 includes a blue wave length shifting (B-WLS) material, thereby converting the light in the ultraviolet region to blue and re-emitting the region to be measured. Can increase the number of photons.
  • the wavelength conversion material may also serve to remove the direction dependence of the proton beam irradiation by removing the directivity of the Cherenkov light emitted at a particular angle.
  • the Cherenkov light generated by the optical wavelength conversion disk 211 may be converted into blue light and absorbed by the optical wavelength conversion optical fiber 212 surrounding the optical wavelength conversion disk 211 at the outer circumference of the optical wavelength conversion disk 211.
  • the optical wavelength conversion optical fiber 212 may include a green wavelength conversion material (G-WLS) capable of converting blue light absorbed by the optical wavelength conversion disk 211 into green light.
  • G-WLS green wavelength conversion material
  • Light converted into green light in the optical wavelength conversion optical fiber 212 may be provided to the photodetector 33 and converted into an electrical signal.
  • the light reflection film 213 may be formed on the upper and lower surfaces of the structure formed by the optical wavelength conversion disk 211 and the optical wavelength conversion optical fiber 212 surrounding the outer circumference thereof.
  • the light reflection film 213 can prevent the loss of photons in the optical wavelength conversion disk 211 and the optical wavelength conversion optical fiber 212 to the outside and induce reflection to the inside to further improve the efficiency of light detection. .
  • the plurality of wavelength converting means 21 has a stacked structure along the advancing direction of the proton line, and each of the wavelength converting optical fibers 212 provided in the plurality of wavelength converting means 21 has one channel. It is configured and connected to the photodetector 33. Therefore, the signal processing unit 40 can calculate the position where the proton line has reached by confirming the position of the optical wavelength converting means 21 in which light is detected by the photodetector 33.
  • the plane formed by the plurality of first optical fibers 121 and the plurality of second optical fibers 131 in the proton line travel position detection unit 10 and the upper and lower surfaces of the optical wavelength conversion disk 211 in the proton dose distribution detection unit 20 are different.
  • the plurality of first optical fibers 121 and the plurality of second optical fibers 131 can detect the x coordinate and the y coordinate of the proton line in the Cartesian coordinates, and the plurality of optical wavelength converting means 21 ) Can determine the z-coordinate where the protons reach in the Cartesian coordinate.
  • the therapeutic proton ray detection device emitted in the pencil beam scanning mode provides a position and depth direction dose distribution of the therapeutic proton line emitted in the pencil beam scanning mode in real time.
  • Precise detection can improve the accuracy of proton therapy by reconstructing and confirming the total dose distribution in the proton treatment area, thereby minimizing side effects such as proton beam delivery to the organs of patients not being treated and The efficiency can be significantly improved.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Radiation-Therapy Devices (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

개시된 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선의 위치 및 선량 분포 검출 장치는, 제1 방향을 따라 배열된 복수의 제1 광섬유와 상기 제1 방향과 다른 제2 방향을 따라 배열된 복수의 제2 광섬유를 포함하는 양성자 선 진행 위치 검출부; 및 광파장 변환 디스크와 상기 광파장 변환 디스크의 외주를 따라 배치된 광파장 변환 광섬유를 각각 포함하는 복수의 광파장 변환 수단을 포함하는 양성자 선량 분포 검출부를 포함한다. 상기 양성자 선 진행 위치 검출부는, 상기 제1 및 제2 광섬유의 배열을 통해 양성자 선 진행 위치를 검출하고, 상기 양성자 선량분포 검출부는 복수의 광파장 변환 디스크를 통해 양성자 선 진행방향의 선량분포를 검출한다.

Description

펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치
본 발명은 치료용 양성자 선원의 위치 및 선량 분포를 검출하는 장치에 관한것으로, 더욱 상세하게는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선의 위치 및 선량 분포를 실시간으로 정밀하게 감시할 수 있는 양성자 선 검출 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 양성자를 이용한 방사선 치료를 위해 사이클로트론 또는 싱크로트론과 같은 가속기에서 발생되는 양성자 선을 환자에게 전달하는 다양한 조사 방법이 이용되고 있다. 현재 양성자 치료기관에서 가장 많이 도입되어 사용되고 있는 일반적 양성자 선(beam) 전달 방법은 일정 물질의 타겟에 양성자를 부딪쳐 산란시킴으로써 대면적의 치료 조사면을 생성하는 산란 모드(scattering mode)이다. 그러나 산란 모드를 이용한 치료방식은 양성자를 산란시키면서 발생하는 중성자와 감마선과 같은 이차방사선, 방사선의 조사면을 조절하기 위해 사용하는 황동 차폐체와 아크릴릭 재질의 보상체의 방사화(activation), 보상체를 이용한 양성자빔 조절과정에서 발생되는 정상장기의 불필요한 선량의 증가 등의 몇 가지 주요한 문제점을 갖고 있다.
이러한 산란 모드의 양성자 선 전달 방법에서 발생하는 여러 문제를 해결하고자 최근에 펜슬빔 주사(pencil beam scanning)를 이용한 양성자 치료법이 제안되었고 곧 환자 치료에 실용화될 예정에 있다. 이 펜슬빔 주사 모드를 이용한 양성자 선 전달 방식은 종래의 산란 모드 전달 방식과 달리 주사 마그넷(scanning magnet)의 조합으로 여러 에너지의 선량분포를 환자에게 전달하여 치료하는 방법으로 그 동안 산란모드에서 불가능했던, 세기변조양성자치료(IMPT, Intensity Modulated Proton Therapy)를 가능하게 함으로써 양성자를 이용한 암 치료를 결과를 극대화, 최적화 시킬 수 있는 최첨단, 차세대 양성자 치료법이다. 또한 펜슬빔 주사방법은 마그넷의 조합으로 빔을 조절을 하므로 산란체와 차폐체의 사용이 불필요해짐에 따라 이차선 및 중성자에 의한 2차 방사선 발생에 따른 부작용을 근본적으로 해소할 수 있으며 그 동안 환자별, 치료부위별에 의한 최대 30개 이상의 차폐체 및 보상체를 제작하기 위한 시간 및 비용의 줄일 수 있는 장점이 있다.
이런 펜슬빔 주사 모드를 이용한 양성자 선 전달 기법은 납 산란체 등을 이용하여 빔을 평편하게 생성하여 동일한 선량분포를 조사하는 이중산란 방법과 달리 수많은 펜슬빔의 조합으로 선량분포가 구성되므로 하나의 펜슬빔의 위치가 달라지면 환자에게 전달되는 선량 및 선량분포에 오차가 생기므로 이에 대한 검증이 필수적이다. 특히, 움직임이 있는 장기에 오차가 발생할 확률이 있음에 따라, 동적 불확도 요인을 줄이고 최적화된 치료결과를 얻기 위해서는 양성자 펜슬빔 주사 모드에서 전달되는 치료용 양성자 선의 치료 선량 정확도 검증이 요구된다. 만약 인체 내에서 양성자 선량 분포(Range, Spread-out Bragg peak 등) 및 치료 선량이 정확하게 결정되지 못할 경우, 치료효과가 오히려 급격히 떨어지거나 심지어는 방사선에 민감한 조직이나 장기에 선량을 집중적으로 전달하여 환자에게 심각한 부작용을 초래할 수 있다는 문제가 있기 때문이다.
종래의 치료용 양성자 선의 선량 측정 기법이 선행기술문헌인 공개특허공보 제10-2012-0085499호에 알려져 있다. 이 선행기술문헌에 개시된 양성자 선의 선량 측정 기법은 물 팬텀 내에 상호 길이가 다른 광 섬유를 배치하고 물 펜텀의 위치를 이동시키면서 선량을 측정하는 것으로, 펜슬빔 주사 모드를 이용한 양성자 선 전달 기법에서 요구되는 정확한 선원의 위치와 선량 분포를 측정하는데 적용하기 어려운 단점이 있다.
이와 같이, 펜슬빔 주사 모드를 이용한 양성자 치료방법의 선량측정은 기존의 산란모드와 달리 3차원 물 팬텀을 이용한 측정이 불가능하며 정확한 선량 분포를 검증할 수 있는 장치는 아직까지 개발되지 못하고 있는 실정이다.
이에, 본 발명은 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선의 위치 및 선량을 정밀하게 검출하여 양성자 치료의 정확도를 향상시킬 수 있는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
제1 방향을 따라 배열된 복수의 제1 광섬유; 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향을 따라 배열된 복수의 제2 광섬유를 포함하는 양성자 선 진행 위치 검출부를 포함하며,
상기 양성자 선 진행 위치 검출부는, 상기 복수의 제1 광섬유의 배열이 형성하는 평면 및 상기 복수의 제2 광섬유가 형성하는 평면에 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 관통하도록 배치된 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 광섬유가 배열된 방향 및 상기 제2 광섬유가 배열된 방향은 상호 직교할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 양성자 선 진행 위치 검출부는 상기 제1 광섬유 및 상기 제2 광섬유를 고정하는 프레임을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 복수의 제1 광섬유 및 상기 복수의 제2 광섬유에 포함된 각각의 광섬유별로 빛을 검출하는 광검출부; 및 상기 광검출부에서 빛이 검출된 광섬유의 위치에 따라 양성자 선의 진행 위치를 연산하는 신호처리부를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
광파장 변환 디스크; 및 상기 광파장 변환 디스크의 외주를 따라 배치된 광파장 변환 광섬유를 각각 포함하는 복수의 광파장 변환 수단을 포함하는 양성자 선량 분포 검출부를 포함하며,
상기 복수의 광파장 변환 수단은 상기 광파장 변환 디스크의 상하면이 상호 대향하도록 적층되며,
상기 양성자 선량 분포 검출부는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 상기 광파장 변환 디스크에 입사되도록 배치된 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 광파장 변환 디스크는 자외선 광을 청색 광으로 변환하는 청색 파장 변환 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 광파장 변환 광섬유는 청색 광을 녹색 광으로 변환하는 녹색 파장 변환 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 양성자 선량 분포 검출부는, 상기 광파장 변환 디스크 및 광파장 변환 광섬유를 포함하는 구조물의 상하면에 형성된 광반사 필름을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 복수의 상기 광파장 변환 광섬유별로 빛을 검출하는 광검출부; 및 상기 광검출부에서 빛이 검출된 광섬유의 위치에 따라 양성자 선의 도달 위치를 연산하는 신호처리부를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서 본 발명은,
제1 방향을 따라 배열된 복수의 제1 광섬유 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향을 따라 배열된 복수의 제2 광섬유를 포함하는 양성자 선 진행 위치 검출부; 및
광파장 변환 디스크; 및 상기 광파장 변환 디스크의 외주를 따라 배치된 광파장 변환 광섬유를 각각 포함하는 복수의 광파장 변환 수단을 포함하는 양성자 선량 분포 검출부를 포함하며,
상기 양성자 선 진행 위치 검출부는, 상기 복수의 제1 광섬유의 배열이 형성하는 평면 및 상기 복수의 제2 광섬유가 형성하는 평면에 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 관통하도록 배치되고,
상기 복수의 광파장 변환 수단은 상기 광파장 변환 디스크의 상하면이 상호 대향하도록 적층되며, 상기 양성자 선량 분포 검출부는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 상기 광파장 변환 디스크에 입사되도록 배치되며,
상기 복수의 제1 광섬유 및 상기 복수의 제2 광섬유가 형성하는 평면과 상기 광파장 변환 디스크의 상하면이 나란하도록, 양성자 선의 진행 방향을 따라 상기 양성자 선 진행 위치 검출부의 하부에 상기 양성자 선량 분포 검출부가 배치되는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 복수의 제1 광섬유 및 상기 복수의 제2 광섬유에 포함된 각각의 광섬유 별로 빛을 검출하고 복수의 상기 광파장 변환 광섬유 별로 빛을 검출하는 광검출부; 및 상기 광검출부에서 빛이 검출된 광섬유의 위치에 따라 양성자 선의 진행 위치 및 양성자 선의 도달 위치를 연산하는 신호처리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선의 위치 및 선량을 실시간으로 정밀하게 검출함으로써 양성자 치료의 정확도를 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 치료 대상이 아닌 환자의 장기에 양성자 선이 전달됨으로써 발생하는 부작용 등 최소화하고 양성자 치료의 효율을 현저하게 향상시키는 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 양성자선 진행 위치 검출부를 더욱 상세하게 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 양성자 선량 분포 검출부를 더욱 상세하게 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 양성자 선량 분포 검출부의 광파장 변환 수단을 더욱 상세하게 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 광파장 변환 수단을 A-A’라인을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치는, 양성자 선이 지나가는 위치를 검출하기 위한 양성자선 진행 위치 검출부(10)와 양성자선이 지나가는 위치에 따른 양성자 선량 분포를 검출하기 위한 양성자 선량 분포 검출부(20)를 포함하여 구성된다. 본 발명의 일 실시형태에서, 양성자선 진행 위치 검출부(10) 및 양성자 선량 분포 검출부(20)는 검출하고자 하는 정보의 선택에 따라 두 요소 중 하나만으로 구현될 수도 있다.
이에 더하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치는 양성자선 진행 위치 검출부(10)에서 생성되는 광신호와 양성자 선량 분포 검출부(20)에서 생성되는 광신호를 검출하기 위한 광신호 검출부(31-33)와, 광신호 검출부(31-33)에서 검출된 광신호에 대한 정보를 이용하여 양성자 선이 통과한 위치를 연산하고, 양성자 선량을 연산하는 신호 처리부(40) 및 신호 처리부(40)에서 연산된 결과를 표시하기 위한 디스플레이부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 양성자선 진행 위치 검출부를 더욱 상세하게 도시한 분해 사시도이다.
도 2를 참조하면, 양성자선 진행 위치 검출부(10)는 제1 방향을 따라 배열된 복수의 제1 광섬유(121)와, 제1 방향과 다른 제2 방향을 따라 배열된 복수의 제2 광섬유(131)를 포함하여 구성될 수 있다. 복수의 제1 광섬유(121)와 복수의 제2 광섬유(131) 각각은 하나의 평면 상에 배치되어 하나의 층(12, 13, 이하 각각 제1 광섬유층 및 제2 광섬유층이라 함)을 구성할 수 있다. 제1 광섬유층(12)과 제2 광섬유층(13)은 상호 상하로 배치되는 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1 광섬유(121)가 배열된 제1 방향과 제2 광섬유(131)가 배열된 제2 방향은 상호 다른 방향이 될 수 있으며, 바람직하게 상호 직교할 수 있다. 예를 들어, 통상의 x-y의 직교좌표에서 제1 광섬유(121)는 y 축과 평행한 방향으로 배열되어 x 좌표값을 형성할 수 있고, 제2 광섬유(131)는 x 축과 평행한 방향으로 배열되어 y 좌표값을 형성할 수 있다. 복수의 제1 및 제2 광섬유(121, 131) 각각은 그 단면이 사각형태를 갖도록 함으로써, 배열된 전면이 균이란 매질로 채워지는 효과를 얻을 수 있다.
복수의 제1 광섬유(121)는 하나의 광검출부(31)와 연결되고 복수의 제2 광섬유(131)는 다른 광검출부(32)와 연결될 수 있다.
이에 더하여 양성자선 진행 위치 검출부(10)는 상호 적층된 제1 광섬유층(12)과 제2 광섬유층(13)을 상하부에서 고정하는 프레임(11a, 11b)을 더 포함할 수 잇다. 프레임(11a, 11b)은 제1 광섬유층(12)과 제2 광섬유층(13)의 테두리 영역 상하부와 접촉하여 이들을 고정하고 제1 광섬유층(12)과 제2 광섬유층(13)이 적층된 구조물의 상하면을 노출시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 양성자 선량 분포 검출부를 더욱 상세하게 도시한 분해 사시도이다. 또한, 도 4는 도 3에 도시된 양성자 선량 분포 검출부의 광파장 변환 수단을 더욱 상세하게 도시한 사시도이다. 또한, 도 5는 도 4에 도시된 광파장 변환 수단을 A-A’라인을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 양성자 선량 분포 검출부(20)는 복수의 광파장 변환 수단(21)을 포함하여 구성될 수 있다. 복수의 광파장 변환 수단(21) 각각은 광파장 변환 디스크(211) 및 광파장 변환 디스크(211)의 외주를 따라 배치된 광파장 변환 광섬유(212)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 복수의 광파장 변환 수단(21) 각각은 광파장 변환 디스크 및 광파장 변환 광섬유로 구성된 구조물의 상하면에 형성된 광반사 필름(213)을 더 포함할 수 있다.
양성자 선량 분포 검출부(20)는 그를 통과하는 양성자 선량을 검출하기 위한 수단으로서, 복수의 광파장 변환 수단(21)은 광파장 변환 디스크(211)의 상하면이 상호 대향하도록 적층되는 구조로 배치될 수 있다. 또한, 양성자 선량 분포 검출부(20)는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 광파장 변환 수단(21)의 광파장 변환 디스크(211)에 입사되도록 배치될 수 있다. 복수의 광파장 변환 수단(21)에 포함된 광파장 변환 광섬유(212)는 광검출부(33)에 연결될 수 있다.
복수의 광파장 변환 수단(21)은 양성자 선이 진행하는 방향을 따라 적층된 구조를 갖는 것으로, 복수의 광파장 변환 수단(21) 각각은 양성자 선이 통과하는 경우 빛을 생성할 수 있다. 따라서, 빛이 생성되는 광파장 변환 수단(21)의 적층 위치를 확인하면 양성자 선이 도달하는 위치를 확인할 수 있다. 즉, 복수의 광파장 변환 수단(21)이 적층된 양성자 선량 분포 검출부(20)를 전술한 양성자 선 진행 위치 검출부(10)의 하부에 배치하되, 복수의 제1 광섬유(121) 및 복수의 제2 광섬유(131)가 형성하는 평면과 광파장 변환 디스크(211)의 상하면이 나란하도록 배치하는 경우, 복수의 제1 광섬유(121) 및 복수의 제2 광섬유(131)에 의해 직교좌표에서 양성자 선이 진행하는 x 좌표 및 y 좌표를 검출할 수 있고 복수의 광파장 변환 수단(21)에 의해 직교좌표에서 양성자선이 도달하는 z 좌표를 결정할 수 있다.
전술한 양성자 선 진행 위치 검출부(10)의 제1 광섬유(121) 및 제2 광섬유(131)와 양성자 선량 분포 검출부(20)의 광파장 변환 광섬유(212)와 각각 연결되는 광검출부(31, 32, 33)는 제1 광섬유(121), 제2 광섬유(131) 및 광파장 변환 광섬유(212)에서 전달되는 광신호를 개별 광 신호별로 검출하고 검출된 결과를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 다채널 광 검출 장치이다. 예를 들어, 광검출부(31)은 복수의 제1 광섬유(121)와 연결되어 제1 광섬유(121) 각각마다 하나의 채널을 형성하여 광을 검출하고 그 결과를 전기적 신호로 출력할 수 있다. 마찬가지로, 광검출부(32)는 복수의 제2 광섬유(131) 각각마다 하나의 채널을 형성하여 광을 검출하고, 광검출부(33)은 복수의 광파장 변환 광섬유(212) 각각마다 하나의 채널을 형성하여 광을 검출하고 그 결과를 전기적 신호로 출력할 수 있다. 이러한 광검출부(31-33)는 광증배관(Multi-Anode PhotoMultiplier Tube: MAPMT), 포토 다이오드 어레이(Photodiode Array) 또는 반도체 광증배관 (Silicon Photo-Multiplier Array)으로 구현될 수 있다.
신호처리부(40)는 광검출부(31-33)에서 전달되는 광 검출 결과를 제공받아 이를 처리하여 양성자 선 위치 및 양성자 선량 분포에 대한 정보를 생성할 수 있다. 더욱 구체적으로, 신호처리부(40)는 광검출부(31-33)에서 전달되는 광을 검출한 전기신호를 제공받아 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 이용하여 사전에 프로그램된 루틴에 따라 처리하여 원하는 정보(양성자 선 위치 및/또는 양성자 선량 분포)를 연산할 수 있다. 통상, 신호처리부(40)는 사용자에 의해 프로그램 가능한 데이터 수집(Data AcQuisition: DAQ)로 구현될 수 있다.
디스플레이부(50)는 신호처리부(40)에서 연산된 정보를 제공받아 시각적으로 표시하기 위한 요소로서, 통상의 컴퓨터 시스템(데스크탑 PC, 노트북 PC 및 태블릿 PC 등)으로 구현될 수 있다. 디스플레이부(50)는 단순히 신호처리부(40)에서 제공하는 정보를 표시할 뿐만 아니라, 사용자가 신호처리부(40)에 대한 프로그램 및 데이터 요청, 가공, 수정 등에 대한 명령을 제공할 수 있는 인터페이스 장치가 될 수 있다.
이하, 전술한 것과 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 작용 및 효과에 대해 첨부도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치의 양성자 선 진행 위치 검출부(10)와 양성자 선량 분포 검출부(20)를 동시에 포함하는 실시형태를 도시한 것으로, 펜슬빔 주사 모드로 양성자 선을 방출하는 양성자 선원은 양성자 선 진행 위치 검출부(10)의 상부에 위치할 수 있다. 펜슬빔 주사 모드로 양성자 선을 방출하는 양성자 선원은 양성자 선 진행 위치 검출부(10)가 배치된 하부 방향으로 양성자 선을 주사하며, 양성자 선은 양성자 선 진행 위치 검출부(10)를 통과하여 그 하부에 배치된 양성자 선량 분포 검출부(20)의 광파장 변환 수단(21)으로 입사될 수 있다.
선원에서 펜슬빔 주사 모드로 방출된 양성자 선이 양성자 선 진행 위치 검출부(10)를 통과하는 과정에서, 양성자 선은 양성자 선 진행 위치 검출부(10)의 복수의 제1 광섬유(121) 중 일부와 복수의 제2 광섬유(131) 중 일부를 통과하게 된다. 양성자 선이 광섬유를 통과할 때, 양성자 선에 의해 고에너지 전자선들이 발생되며, 이 전자선들은 광섬유 내에서는 체렌코프 방사 효과(Cerenkov radiation effect)에 의해 광자가 발생한다. 즉, 양성자 선이 통과한 광섬유에서는 빛이 발생할 수 있다.
체렌코프 방사 효과는, 하전 입자가 매질 내의 빛의 속도보다 빠른 속도로 매질을 투과할 때 입사선을 중심으로 일정한 각도를 갖는 원추형으로 광자(빛)가 발생되는 효과로서 일정 에너지 이상의 하전 입자에 의해 발생되는 것이다.
복수의 제1 광섬유(121) 중 양성자 선이 통과한 제1 광섬유에서 체렌코프 광이 발생하게 되고 복수의 제2 광섬유(131) 중 양성자 선이 통과한 제2 광섬유에서 체렌코프 광이 발생하게 된다. 전술한 바와 같이, 복수의 제1 광섬유(121) 및 복수의 제2 광섬유(131)은 각각 하나의 채널을 형성하여 광검출부(30)에서 광 검출이 이루어진다. 따라서, 광검출부(30)에서 양성자 선 통과에 의한 체렌코프 광이 발생한 제1 광섬유와 제2 광섬유로부터 빛을 검출하여 데이터 처리부(40)로 전달하면, 데이터 처리부(40)에서는 빛이 발생한 제1 광섬유와 제2 광섬유의 위치를 파악함으로써 양성자 선 진행 위치 검출부(10) 상에서 양성자 선이 통과하는 위치를 연산해 낼 수 있다. 즉, 복수의 제1 광섬유(121)와 복수의 제2 광섬유(131)가 상호 직교하도록 배치된 실시형태에서, 데이터 처리부(40)는 빛을 검출한 제1 광섬유의 위치와 빛을 검출한 제2 광섬유의 위치를 파악하여 직교 좌표계의 x-y 좌표값의 형태로 양성자 선이 통과하는 위치를 연산해 낼 수 있다.
양성자 선 진행 위치 검출부(10)를 통과한 양성자 선은 그 하부의 양성자 선량 분포 검출부(20)로 입사된다.
특히, 도 4를 참조하면, 양성자 선은 양성자 선량 분포 검출부(20) 내 광파장 변환 수단(21)의 광파장 변환 디스크(211)를 통과하게 되는데, 전술한 것과 같이 체렌코프 방사 효과에 의해 광파장 변환 디스크(211) 내에서 빛이 발생한다. 즉, 광파장 변환 디스크 내에서 양성자가 물질과 반응해서 나오는 고에너지 이차 전자들(177 KeV이상)은 체렌코프 광자를 방출한다. 통상 체렌코프 광자는 200nm 영역의 자외선에서부터 방출되며 대부분의 가시영역에 걸치는 파장대를 갖게 된다. 이 때, 체랜코프 광의 방출 확률은 파장의 제곱에 반비례하므로, 자외선(UV)영역의 파장대에서 가장 많은 광자가 나온다. 따라서, 본 발명의 일 실시형태에서, 광파장 변환 디스크(211)는 청색 파장 변환(Blue wave length shifting: B-WLS) 물질이 포함함으로써 자외선 영역의 광선을 청색으로 변환하여 재방출 하게 함으로써 측정가능한 영역의 광자 수를 증가시킬 수 있다. 또한, 파장변환 물질은 특정한 각도로 방출되는 체렌코프 광의 방향성을 제거하여 양성자 빔 조사의 방향의존도를 제거하는 역할도 할 수 있다.
광파장 변환 디스크(211)에서 생성된 체렌코프 광은 청색 광으로 변환되어 광파장 변환 디스크(211)의 외주에서 광파장 변환 디스크(211)를 둘러싸고 있는 광파장 변환 광섬유(212)에서 흡수될 수 있다. 광파장 변환 광섬유(212)는 광파장 변환 디스크(211)에서 흡수한 청색광을 녹색광으로 변환할 수 있는 녹색 파장 변환 물질 Green Wavelength shifting: G-WLS)을 포함할 수 있다. 광파장 변환 광 섬유(212)에서 녹색광으로 변환된 빛은 광검출부(33)로 제공되어 전기적 신호로 변환될 수 있다.
한편, 광파장 변환 디스크(211)와 그 외주를 둘러싸는 광파장 변환 광섬유(212)가 형성하는 구조물의 상하면에는 광반사 필름(213)이 형성될 수 있다. 이 광반사 필름(213)은 광파장 변환 디스크(211)과 광파장 변환 광섬유(212) 내부의 광자가 외부로 방출되는 손실을 방지하며 그 내부로 반사를 유도하여 광검출의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 복수의 광파장 변환 수단(21)은 양성자 선의 진행 방향을 따라 적층된 구조를 가지며, 복수의 광파장 변환 수단(21)에 구비된 광파장 변환 광섬유(212)는 각각이 하나의 채널을 구성하여 광검출부(33)에 연결된다. 따라서, 신호처리부(40)는 광검출부(33)에 의해 빛이 검출된 광파장 변환 수단(21)의 위치를 확인함으로써 양성자 선이 도달한 위치를 연산할 수 있다. 특히, 양성자 선 지행 위치 검출부(10) 내 복수의 제1 광섬유(121) 및 복수의 제2 광섬유(131)가 형성하는 평면과 양성자 선량 분포 검출부(20) 내 광파장 변환 디스크(211)의 상하면이 나란하도록 배치하는 경우, 복수의 제1 광섬유(121) 및 복수의 제2 광섬유(131)에 의해 직교좌표에서 양성자 선이 진행하는 x 좌표 및 y 좌표를 검출할 수 있고 복수의 광파장 변환 수단(21)에 의해 직교좌표에서 양성자선이 도달하는 z 좌표를 결정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치는, 펜슬빔 주사 모드로 방출되어 실시간으로 변하는 치료용 양성자 선의 위치 및 깊이 방향 선량 분포를 정밀하게 검출함으로써 양성자 치료 영역 내의 총 선량 분포를 재구성하여 확인함으로써 양성자 치료의 정확도를 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 치료 대상이 아닌 환자의 장기에 양성자 선이 전달됨으로써 발생하는 부작용 등 최소화하고 양성자 치료의 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (16)

  1. 제1 방향을 따라 배열된 복수의 제1 광섬유; 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향을 따라 배열된 복수의 제2 광섬유를 포함하는 양성자 선 진행 위치 검출부를 포함하며,
    상기 양성자 선 진행 위치 검출부는, 상기 복수의 제1 광섬유의 배열이 형성하는 평면 및 상기 복수의 제2 광섬유가 형성하는 평면에 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 관통하도록 배치된 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광섬유가 배열된 방향 및 상기 제2 광섬유가 배열된 방향은 상호 직교하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 양성자 선 진행 위치 검출부는 상기 제1 광섬유 및 상기 제2 광섬유를 고정하는 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 광섬유 및 상기 복수의 제2 광섬유에 포함된 각각의 광섬유별로 빛을 검출하는 광검출부; 및
    상기 광검출부에서 빛이 검출된 광섬유의 위치에 따라 양성자 선의 진행 위치를 연산하는 신호처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  5. 광파장 변환 디스크; 및 상기 광파장 변환 디스크의 외주를 따라 배치된 광파장 변환 광섬유를 각각 포함하는 복수의 광파장 변환 수단을 포함하는 양성자 선량 분포 검출부를 포함하며,
    상기 복수의 광파장 변환 수단은 상기 광파장 변환 디스크의 상하면이 상호 대향하도록 적층되며,
    상기 양성자 선량 분포 검출부는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 상기 광파장 변환 디스크에 입사되도록 배치된 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광파장 변환 디스크는 자외선 광을 청색 광으로 변환하는 청색 파장 변환 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광파장 변환 광섬유는 청색 광을 녹색 광으로 변환하는 녹색 파장 변환 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 양성자 선량 분포 검출부는, 상기 광파장 변환 디스크 및 광파장 변환 광섬유를 포함하는 구조물의 상하면에 형성된 광반사 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    복수의 상기 광파장 변환 광섬유별로 빛을 검출하는 광검출부; 및
    상기 광검출부에서 빛이 검출된 광섬유의 위치에 따라 양성자 선의 도달 위치를 연산하는 신호처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  10. 제1 방향을 따라 배열된 복수의 제1 광섬유 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향을 따라 배열된 복수의 제2 광섬유를 포함하는 양성자 선 진행 위치 검출부; 및
    광파장 변환 디스크; 및 상기 광파장 변환 디스크의 외주를 따라 배치된 광파장 변환 광섬유를 각각 포함하는 복수의 광파장 변환 수단을 포함하는 양성자 선량 분포 검출부를 포함하며,
    상기 양성자 선 진행 위치 검출부는, 상기 복수의 제1 광섬유의 배열이 형성하는 평면 및 상기 복수의 제2 광섬유가 형성하는 평면에 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 관통하도록 배치되고,
    상기 복수의 광파장 변환 수단은 상기 광파장 변환 디스크의 상하면이 상호 대향하도록 적층되며, 상기 양성자 선량 분포 검출부는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선이 상기 광파장 변환 디스크에 입사되도록 배치되며,
    상기 복수의 제1 광섬유 및 상기 복수의 제2 광섬유가 형성하는 평면과 상기 광파장 변환 디스크의 상하면이 나란하도록, 양성자 선의 진행 방향을 따라 상기 양성자 선 진행 위치 검출부의 하부에 상기 양성자 선량 분포 검출부가 배치되는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 광섬유가 배열된 방향 및 상기 제2 광섬유가 배열된 방향은 상호 직교하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 광섬유 및 상기 제2 광섬유를 고정하는 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 광파장 변환 디스크는 자외선 광을 청색 광으로 변환하는 청색 파장 변환 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 광파장 변환 광섬유는 청색 광을 녹색 광으로 변환하는 녹색 파장 변환 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 양성자 선량 분포 검출부는, 상기 광파장 변환 디스크 및 광파장 변환 광섬유를 포함하는 구조물의 상하면에 형성된 광반사 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 제1 광섬유 및 상기 복수의 제2 광섬유에 포함된 각각의 광섬유 별로 빛을 검출하고 복수의 상기 광파장 변환 광섬유 별로 빛을 검출하는 광검출부; 및
    상기 광검출부에서 빛이 검출된 광섬유의 위치에 따라 양성자 선의 진행 위치 및 양성자 선의 도달 위치를 연산하는 신호처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치.
PCT/KR2014/012116 2013-12-31 2014-12-10 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치 WO2015102254A1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/108,852 US9671508B2 (en) 2013-12-31 2014-12-10 Device for detecting therapeutic proton beam emitted in pencil beam scanning mode

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2013-0169315 2013-12-31
KR1020130169315A KR101662831B1 (ko) 2013-12-31 2013-12-31 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015102254A1 true WO2015102254A1 (ko) 2015-07-09

Family

ID=53493561

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2014/012116 WO2015102254A1 (ko) 2013-12-31 2014-12-10 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9671508B2 (ko)
KR (1) KR101662831B1 (ko)
WO (1) WO2015102254A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106501839B (zh) * 2016-11-24 2019-06-28 江苏超敏科技有限公司 一种束流剂量分布测量设备
CN111308535B (zh) * 2019-10-15 2022-06-17 南京航空航天大学 一种面向ab-bnct混合辐射场剂量分布的测量方法及装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0815086A (ja) * 1994-07-04 1996-01-19 Furukawa Electric Co Ltd:The 多芯光ファイバの検査装置
JPH09230053A (ja) * 1996-02-27 1997-09-05 Mitsubishi Electric Corp 深部線量測定装置
JPH10288671A (ja) * 1997-04-15 1998-10-27 Toshiba Corp 位置検出型放射線検出装置
JP2851319B2 (ja) * 1989-09-22 1999-01-27 三菱重工業株式会社 放射線計測装置の放射線検出部
JP2003310590A (ja) * 2002-04-23 2003-11-05 Mitsubishi Electric Corp 線量分布測定装置
JP2005342514A (ja) * 1995-02-10 2005-12-15 Nexray Inc 走査ビーム型ｘ線画像システム

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06294871A (ja) 1993-04-09 1994-10-21 Toshiba Corp 放射線強度分布測定装置
US5704890A (en) * 1995-05-31 1998-01-06 Battelle Memorial Institute Real time sensor for therapeutic radiation delivery
JPH11118933A (ja) * 1997-10-09 1999-04-30 Tohoku Electric Power Co Inc ファイバ型放射線検出器
US7515681B2 (en) * 2004-06-30 2009-04-07 Lexitek, Inc. High resolution proton beam monitor
EP2483908A1 (fr) * 2009-10-01 2012-08-08 Ion Beam Applications S.A. Dispositif et methode pour le controle en ligne d'un faisceau energetique
KR101248760B1 (ko) 2011-01-20 2013-04-02 건국대학교 산학협력단 광섬유 팬텀선량계 및 이를 이용한 측정 방법
KR101249267B1 (ko) 2011-01-24 2013-04-01 건국대학교 산학협력단 체렌코프 방사선 측정을 통한 치료용 양성자선의 상대선량 측정 광섬유 센서 시스템 및 이를 이용한 측정 방법
KR101320891B1 (ko) 2012-05-29 2013-10-23 한국전기연구원 산란 제거 및 선량 측정이 가능한 그리드 일체형 ｘ선 검출기

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2851319B2 (ja) * 1989-09-22 1999-01-27 三菱重工業株式会社 放射線計測装置の放射線検出部
JPH0815086A (ja) * 1994-07-04 1996-01-19 Furukawa Electric Co Ltd:The 多芯光ファイバの検査装置
JP2005342514A (ja) * 1995-02-10 2005-12-15 Nexray Inc 走査ビーム型ｘ線画像システム
JPH09230053A (ja) * 1996-02-27 1997-09-05 Mitsubishi Electric Corp 深部線量測定装置
JPH10288671A (ja) * 1997-04-15 1998-10-27 Toshiba Corp 位置検出型放射線検出装置
JP2003310590A (ja) * 2002-04-23 2003-11-05 Mitsubishi Electric Corp 線量分布測定装置

Also Published As

Publication number Publication date
US9671508B2 (en) 2017-06-06
KR101662831B1 (ko) 2016-10-05
US20160327658A1 (en) 2016-11-10
KR20150079239A (ko) 2015-07-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gagnon et al. Dosimetric performance and array assessment of plastic scintillation detectors for stereotactic radiosurgery quality assurance
JP6310551B2 (ja) 放射線療法治療の案内および検証のための検出器
US20140114150A1 (en) Method And System For Using Cherenkov Radiation To Monitor Beam Profiles And Radiation Therapy
US11506801B2 (en) Prompt gamma monitor for hadron therapy
US9977138B2 (en) Thermal neutron detecting device, scintillator unit, and thermal neutron detecting system
Patera et al. Recent advances in detector technologies for particle therapy beam monitoring and dosimetry
WO2012141420A2 (ko) 감마선 검출 장치 및 이를 이용한 감마선 검출 방법
CN114534117B (zh) 中子捕获治疗设备
WO2015102254A1 (ko) 펜슬빔 주사 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치
WO2015102255A1 (ko) 산란 모드로 방출되는 치료용 양성자 선 검출 장치
JPH10213663A (ja) 局所線量計
Rofors et al. Response of a Li-glass/multi-anode photomultiplier detector to α-particles from 241Am
WO2022232925A1 (en) Detector system and method for determining cerenkov based dependencies
JP6875265B2 (ja) 中性子線検出装置
Rucinski et al. Plastic scintillator based PET detector technique for proton therapy range monitoring: A Monte Carlo study
Battaglia Dosimetry studies for radiation therapy with photons and radiobiology using low-energy protons.
KR101066470B1 (ko) 치료용 강입자 빔 측정을 위한 검출 방법과 측정 방법 및 이를 적용한 빔 측정 장치
WO2013081276A1 (ko) 하우스 형태의 방사선 측정용 팬텀 장치
KR102388907B1 (ko) 즉발 감마선영상 및 양전자방출단층영상을 이용한 체내 양성자 선량분포 측정장치의 제어모듈
US20240230929A1 (en) Detector system and method for determining cerenkov based dependencies
CN107505646B (zh) 一种光纤三维阵列式加速器射线场分析仪
Li et al. Energy dependency of dose response function of a Gd2O2S scintillator detection system for spot-scanning carbon-ion and proton radiotherapy
Altaf et al. Quality assurance of intensity-modulated radiotherapy treatment planning: a dosimetric comparison
Myllymäki et al. Position Sensitive Detectors for Quality Control of Proton Therapy Beams
Lalanne et al. Geometrical Characterization of an Inorganic Scintillator Detector for Proton Therapy using a Micrometer Scale Ion Beam

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14877287

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15108852

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14877287

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1