WO2023003189A1 - 대상체의 병변을 치료하기 위한 치료빔을 변환시키는 변환장치 - Google Patents

대상체의 병변을 치료하기 위한 치료빔을 변환시키는 변환장치 Download PDF

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WO2023003189A1
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lesion
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임영경
김명수
박경윤
김도현
김상수
김학수
정종휘
이세병
신동호
김주영
김태현
문성호
서양권
김호진
조광현
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국립암센터
라파라드 주식회사
연세대학교 산학협력단
사회복지법인 삼성생명공익재단
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    • A61N2005/1095—Elements inserted into the radiation path within the system, e.g. filters or wedges

Definitions

  • the present invention relates to a conversion device for converting a treatment beam for treating a lesion of an object.
  • a charged particle beam such as a proton beam is used to treat lesions such as brain tumors.
  • Hair loss is a problem that greatly reduces the quality of life, especially for pediatric brain tumor patients or female patients, because it has a very negative impact on school or social life.
  • an object of the present invention is to provide a treatment beam conversion device that reduces the effect on normal tissue located on a path along which a beam travels in a charged particle beam treatment process such as a proton beam.
  • An object of the present invention is to provide a conversion device for converting a treatment beam for treating a lesion of an object, comprising: a collimator unit into which the treatment beam is incident and having a plurality of slits formed thereon; and a scattering unit that scatters the treatment beam that has passed through the collimator unit.
  • the treatment beam may include a charged particle beam.
  • the charged particle beam may include any one of a proton beam, a helium ion beam, and a carbon ion beam.
  • Each of the slits is elongated, the plurality of slits are formed side by side, and the treatment beam can be spatially divided by the slits.
  • the treatment beam may be incident on the plurality of slits at different incident angles, and an extension direction of each slit may be formed to correspond to the corresponding incident angle.
  • An extended length of the shortest slit among the plurality of slits in a traveling direction of the treatment beam may be 1.5 to 10 times the maximum penetration depth of the treatment beam.
  • the collimator unit may include a first collimator unit and a second collimator unit disposed along a traveling direction of the treatment beam.
  • the collimator part may include any one of brass and tungsten.
  • the collimator unit may have a concave shape toward the lesion.
  • the scattering unit may have a different degree of scattering and may be provided in a plurality that is selectable by the user.
  • the scattering unit may include: the first scattering unit; A second scattering unit positioned between the first scattering unit and the lesion may be included, and the first scattering unit and the second scattering unit may each include a plurality of scattering units having different scattering degrees.
  • the treatment beam passing through the scattering unit is irradiated to the lesion, and the treatment beam may be converted into a non-division state in the lesion.
  • the scattering unit may include a metal plate.
  • the metal of the metal plate may have a density of 10 g/cm 3 to 25 g/cm 3 .
  • the metal of the metal plate may include any one of lead, bismuth, and tungsten.
  • the treatment beam is converted into spatial division radiation for treatment while passing through the collimator and the scattering unit, and may further include an absorbing unit located between the scattering unit and the lesion and absorbing at least a portion of the radiation.
  • the absorber may include any one of a polymer having a density of 0.7 g/cm 3 to 2 g/cm 3 and a metal having a density of 2 g/cm 3 to 6 g/cm 3 .
  • the total thickness of the air layer between the collimator part and the absorption part is adjustable and may be 1 cm to 8 cm.
  • the distance between the absorptive portion and the lesion may be adjustable.
  • the apparatus may further include an attachable and detachable irregular movable block positioned between a treatment beam delivery device that transmits the treatment beam and the collimator unit and moving a depth of penetration of the treatment beam into the object to a shallow depth.
  • An object of the present invention is to provide a conversion device for converting a treatment beam for treating a lesion of an object, comprising: a collimator unit that increases the PVDR of an incident treatment beam and converts it from a non-division state to a spatial division state; and a scattering unit that scatters the treatment beam that has passed through the collimator unit.
  • a plurality of slits are formed in the collimator unit, and the PVDR of the treatment beam passing through the collimator unit may monotonically decrease according to the penetration depth.
  • the treatment beam passing through the scattering unit may be irradiated onto the lesion with PVDR reduced from 1.0 to 1.2.
  • a treatment beam conversion device that reduces the effect on normal tissue during a charged particle beam treatment process such as a proton beam.
  • FIG. 1A to 1C show a usage form of a converter according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 3 shows the change in the dose form of the proton beam in the conversion device according to the first embodiment of the present invention
  • Figure 4 is for explaining the change in the penetration depth of the proton beam by the irregular moving block in the conversion device according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 5 shows a cross section of a collimator unit in a converter according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 10 shows a cross section of a collimator unit in a converter according to a second embodiment of the present invention
  • FIG 12 shows the shape of the scattering unit in the conversion device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • a proton beam is exemplarily described as a treatment beam, but the treatment beam of the present invention may be one of charged particle beams.
  • the charged particle beam may be any one of a proton beam, a helium ion beam, and a carbon ion beam.
  • the target lesion is described by exemplifying a tumor located in the brain, but the location and type of lesion to be treated in the present invention are not limited thereto.
  • FIG. 1A, 1B and 1C show a usage mode of a converter according to a first embodiment of the present invention.
  • the conversion device 1 is used by being connected to the end of a proton beam delivery device that delivers the generated proton beam to a patient.
  • the proton beam delivery device may rotate while being connected to the gantry.
  • the patient (subject) lies on a bed located on the extension line of the proton beam delivery device, and the proton beam is irradiated to the patient's lesion after passing through the converter.
  • the specific shape of the proton beam delivery device may be changed, and the posture of the patient during treatment may also be changed.
  • the conversion device 1 includes an irregular moving block 10 , a collimator unit 20 , a scattering unit 30 , an absorption unit 40 and a selection unit 50 .
  • FIG. 2 a case configuration for accommodating each configuration, a configuration for supporting each configuration within the case, a configuration for adjusting the selection unit 50 from the outside, and a configuration for adjusting the distance between each configuration are omitted from the illustration.
  • FIG. 2 a configuration for coupling the conversion device 1 to the proton beam delivery device is not shown, and the coupling configuration can be appropriately selected by those skilled in the art.
  • the amorphous moving block 10, the collimator part 20, the scattering part 30, and the absorption part 40 are sequentially arranged between the proton beam delivery device and the lesion, and the proton beam is composed of the amorphous moving block 10, the collimator After sequentially passing through the part 20, the scattering part 30, and the absorbing part 40, it is irradiated as a lesion.
  • the proton beam passing through the conversion device 1 passes through the patient's scalp, skull, and normal brain, and is irradiated to the tumor, which is a treatment lesion.
  • the dose form of the proton beam is sequentially shown in FIG. 3 from the patient's scalp to the tumor.
  • PVDR peak-valley dose ratio
  • spatial division means that a spatially periodic dose distribution is formed.
  • Spatial division can be regarded as a state in which the PVDR of the proton beam exceeds 1.1, 1.2, or 1.5, and may be substantially 1.1 to 200, 1.2 to 200, or 1.5 to 200.
  • the PVDR of the proton beam incident on the scalp may be 3.0 to 100.
  • the PVDR of the proton beam irradiated onto the lesion may be 1.0 to 1.1 or 1.0 to 1.2.
  • a high spatial partitioning state is maintained in normal tissues and an undivided state is achieved in tumors. Accordingly, normal tissues are protected as much as possible and tumors are effectively treated.
  • Figure 4 is for explaining the change in the penetration depth of the proton beam by the irregular moving block in the conversion device according to the first embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a cross-section of the collimator unit in the conversion device according to the first embodiment of the present invention
  • 6 is a computational simulation of the lateral dose distribution according to the beam incident angle-slit extension direction
  • FIG. 7 is a computational simulation result showing the change in PVDR according to the depth of the medium when the thickness of the collimator part is different
  • 8 is a computational simulation result showing the change in PVDR according to the depth of the medium when the thickness of the metal plate of the scattering part is varied
  • FIG. 9 shows the thickness of the air layer in the converter according to the first embodiment of the present invention.
  • the range shifter (10) is positioned between the proton beam delivery device and the collimator unit (20).
  • the amorphous moving block 10 changes the penetration depth of the proton beam in the target body, and in particular moves the penetration depth of the proton beam into the patient to a shallow depth as shown in FIG. 4 .
  • the amorphous movable block 10 may be made of a polymer material having a density of 0.7 g/cm 3 to 2 g/cm 3 , and may have a plate shape having a uniform thickness.
  • the irregular movable block 10 may be detachably provided.
  • the collimator part 20 has a plurality of slits 21 formed therein. Each slit 21 is elongated, and a plurality of slits 21 are arranged side by side with each other.
  • the collimator unit 20 divides the incident proton beam into spaces and makes the PVDR monotonically decrease according to the traveling distance within the target body.
  • the material of the collimator unit 20 may be made of brass or tungsten.
  • proton beams incident on the collimator unit 20 may be incident at different incident angles for each slit 21 .
  • the extension direction of each slit 21 corresponds to the angle of incidence of the incident proton beam, that is, is provided parallel to the incident proton beam scanned by the scanning magnet.
  • 6 is a result of computational simulation of a lateral dose distribution according to a beam incident angle-slit extension direction on the surface of an object when a 161 MeV proton beam scanned by a scanning magnet is incident on two different types of collimator units.
  • the contour of the dose on the skin is flat and the dose distribution on the lesion is uniform.
  • the contour of the dose on the skin is curved rather than flat. In this case, the dose distribution is not uniform even in the lesion.
  • the extension length d1 of the shortest slit 21, that is, the thickness of the collimator unit 20 may be 1.5 to 10 times the maximum penetration depth of the proton beam. If the extension length (d1) is less than 1.5 times the maximum penetration depth of the proton beam, monotonic reduction of the PVDR is difficult. If the extension length d1 is more than 10 times the maximum penetration depth of the proton beam, the loss of the proton beam is so great that the treatment time becomes very long and the handling of the collimator becomes difficult.
  • the width d2 of the slit 21 may increase toward the outside of the collimator.
  • Figure 7 shows the lateral dose ratio change according to the depth of the medium while changing the extension length of the slit to 5, 7, and 10 cm for a 200 MeV proton beam with a maximum penetration depth of 4.52 cm in brass Calculated by Monte Carlo computational simulation is a result
  • the material of the collimator part was assumed to be brass, and the medium was assumed to be filled with water.
  • the PVDR approximately monotonically decreases from an extension length of 7 cm, which is about 1.5 times the maximum penetration depth.
  • the scattering unit 30 may be formed of a metal plate or a plurality of metal plates having different thicknesses.
  • Each scattering unit 30 is mounted on a selection unit 50.
  • a through hole 51 is provided in the selector 50 , and the proton beam space-divided while passing through the collimator part 20 is incident through the through hole 51 .
  • the user positions the scattering unit 50 having a desired degree of scattering among the plurality of scattering units 30 in the through hole 51 .
  • the scattering degree of the scattering unit 30 is different from each other by adjusting the material and/or thickness of the metal plate.
  • the metal plate may be made of a metal having a density of 10 to 25, and may specifically include any one of lead, bismuth, and tungsten.
  • the scattering unit 30 makes the proton beam non-split according to the depth of the tumor. That is, the scattering unit 30 determines the depth at which the PVDR of the spatially divided proton beam is lower than 1.2 or 1.1.
  • the energy of the proton beam was 161 MeV
  • the collimator was an active material
  • the width was 2.5 mm
  • the slit width was 2.5 mm
  • the inter-slit distance was 5 mm
  • the slit extension length was 10 cm. It is assumed that the medium is filled with water.
  • the depth at which the PVDR reaches 1.1 varies according to the lead thickness of the scattering part.
  • the absorption unit 40 is located between the scattering unit 30 and the lesion and removes radiation generated or scattered by the proton beam moving block 10 , the collimator unit 20 and the scattering unit 30 .
  • the absorber 40 may include any one of a polymer having a density of 0.7 g/cm 3 to 2 g/cm 3 or a metal having a density of 2 g/cm 3 to 6 g/cm 3 .
  • the metal used for the absorber 40 may be aluminum or titanium.
  • the sum of the thickness of the air layer between the collimator part 20 and the absorption part 40 is adjustable and may be 1 cm to 8 cm. As shown in FIG. 9 , the air layer thickness is the sum of the distance (1) between the collimator part 20 and the scattering part 30 and the distance between the scattering part 30 and the absorbing part 40 (2).
  • Adjusting the thickness of the air layer can control the dose uniformity inside the tumor. If the thickness of the air layer is increased, the dose uniformity inside the tumor can be improved. However, the PVDR of the proton beam irradiated to the scalp is reduced.
  • a treatment plan is established by identifying the location and condition of the patient's lesion.
  • the treatment plan includes the maximum energy of the proton beam, the irradiation position and the treatment time, and also includes the selection and arrangement position of the conversion device 1.
  • the conversion device 1 selects a configuration such that the proton beam maintains a split state and then becomes a non-split state at the location of the lesion.
  • the selection of the scattering unit 30 is the key, and the selection of the scattering unit 30 takes into consideration whether or not the irregular moving block 10 is used and the distance between the absorption unit 40 and the lesion.
  • a desired conversion device 1 is configured and coupled to the proton beam generating device, and after placing the patient, the proton beam is irradiated.
  • the proton beam moves to a shallow penetration depth in the patient while passing through the amorphous moving block 10 . Thereafter, as the space is divided while passing through the collimator unit 20, the PVDR monotonically decreases as the PVDR progresses. The proton beam is scattered while passing through the scattering unit 30, and the depth at which it is converted to a non-division state is determined. Thereafter, the proton beam passes through the absorption unit 50 and is incident on the patient after the scattered radiation is removed.
  • the proton beam maintains a divided state and a high PVDR of 1.2 or more in the patient's normal tissue, and then has an undivided state and a PVDR of 1.2 or less when it reaches the lesion. Through this, the effect of the proton beam on the normal tissue is reduced, and effective treatment by the proton beam is possible in the lesion.
  • the collimator unit 20 is composed of a first collimator 20a and a second collimator 20b.
  • the first collimator 20a and the second collimator 20b are disposed along the incident direction of the proton beam.
  • three or more collimator units 20 may be provided, and may be made of different materials.
  • the collimator unit 20 is provided in a curved shape and has a concave shape toward the patient.
  • the scattering unit 30 includes a first scattering unit 30a located close to the collimator unit 20 and a second scattering unit 30b located far from the collimator unit 20. . Both the first scattering section 30a and the second scattering section 30b are provided in plurality. The user can adjust the depth at which the proton beam is switched to a non-splitting state by combining the first scattering unit 30a and the second scattering unit 30b to realize various degrees of scattering.
  • the metal plates of the first scattering portion 30a are composed of 10mm, 20mm, and 30mm
  • the metal plates of the second scattering portion 30b are composed of 3mm, 5mm, and 7mm
  • the user can select 10mm, 13mm, and 15mm through combination.
  • 17 mm, 20 mm, etc. metal plate thickness can be used.
  • the first scattering part 30a and the second scattering part 30b may be separated from each other, and in this case, the total thickness of the air layer in the fourth embodiment is between the first scattering part 30a and the second scattering part 30b. includes the interval of

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Abstract

본 발명은 대상체의 병변을 치료하기 위한 치료빔을 변환시키는 변환장치에 관한 것으로, 상기 치료빔이 입사되며 복수의 슬릿이 형성되어 있는 콜리메이터부; 및 상기 콜리메이터부를 통과한 상기 치료빔을 산란시키는 산란부를 포함한다.

Description

대상체의 병변을 치료하기 위한 치료빔을 변환시키는 변환장치
본 발명은 대상체의 병변을 치료하기 위한 치료빔을 변환시키는 변환장치에 관한 것이다.
뇌종양 등의 병변을 치료하는데 양성자빔과 같은 하전입자빔이 사용되고 있다.
치료과정에서 양성자빔의 진행경로상에 위치한 환자의 정상조직에 다량의 방사선이 조사되어 정상조직에 영향을 주는 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 뇌종양 환자의 양성자빔 치료과정에서 양성자빔에 의해 모발손실이 발생할 수 있다.
모발손실은 특히 소아 뇌종양 환자나 여성환자들이 학교나 사회생활 등을 하는데 매우 부정적인 영향을 미치기 때문에 삶의 질을 크게 저하시키는 문제가 된다.
따라서 본 발명의 목적은 양성자빔과 같은 하전입자빔 치료과정에서 빔이 진행하는 경로상에 위치한 정상조직에 대한 영향이 감소하는 치료빔 변환장치를 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은 대상체의 병변을 치료하기 위한 치료빔을 변환시키는 변환장치에 있어서, 상기 치료빔이 입사되며 복수의 슬릿이 형성되어 있는 콜리메이터부; 및 상기 콜리메이터부를 통과한 상기 치료빔을 산란시키는 산란부를 포함하는 것에 의해 달성된다.
상기 치료빔은 하전입자빔을 포함할 수 있다.
상기 하전입자빔은 양성자빔, 헬륨이온빔 및 탄소이온빔 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 각 슬릿은 길게 연장되어 있고, 상기 복수의 슬릿은 나란히 형성되어 있으며, 상기 슬릿에 의해 상기 치료빔은 공간적으로 분할될 수 있다.
치료빔은 상기 복수의 슬릿에 서로 다른 입사각으로 입사되며, 상기 각 슬릿의 연장방향은 해당 입사각에 대응하도록 형성되어 있을 수 있다.
상기 복수의 슬릿 중 가장 짧은 슬릿의 상기 치료빔의 진행방향으로의 연장길이는 상기 치료빔의 최대 침투깊이의 1.5배 내지 10배일 수 있다.
상기 콜리메이터부는 상기 치료빔의 진행방향을 따라 배치된 제1콜리메이터부와 제2콜리메이터부를 포함할 수 있다.
상기 콜리메이터부는 황동 및 텅스텐 중 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 콜리메이터부는 상기 병변을 향해 오목한 형태일 수 있다.
상기 산란부는 산란 정도가 상이하며 사용자가 선택가능한 복수개로 마련될 수 있다.
상기 산란부는, 상기 제1산란부와; 상기 제1산란부와 상기 병변 사이에 위치하는 제2산란부를 포함하며, 상기 제1산란부 및 상기 제2산란부는, 각각 산란정도가 다른 복수의 산란부를 포함할 수 있다.
상기 산란부를 거친 상기 치료빔은 상기 병변에 조사되며, 상기 치료빔은 상기 병변에서 무분할 상태로 전환될 수 있다.
상기 산란부는 금속판을 포함할 수 있다.
상기 금속판의 금속은 밀도가 10 g/cm3 내지 25 g/cm3 일 수 있다.
상기 금속판의 금속은 납, 비스무스 및 텅스텐 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 치료빔은 상기 콜리메이터 및 상기 산란부를 통과하면서 치료용 공간분할 방사선으로 변환되며, 상기 산란부와 상기 병변 사이에 위치하며 상기 방사선의 적어도 일부를 흡수하는 흡수부를 더 포함할 수 있다.
상기 흡수부는, 밀도가 0.7 g/cm3 내지 2 g/cm3 인 고분자 및 밀도가 2 g/cm3 내지 6 g/cm3인 금속 중 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 콜리메이터부와 상기 흡수부 사이의 총 공기층 두께는 조절가능하며, 1 cm 내지 8 cm일 수 있다.
상기 흡수부와 상기 병변 사이의 간격은 조절가능할 수 있다.
상기 치료빔을 전달하는 치료빔 전달장치와 상기 콜리메이터부 사이에 위치하며, 상기 치료빔의 상기 대상체 내 침투깊이를 얕은 깊이로 이동시키며 탈부착가능한 비정이동블록을 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 목적은 대상체의 병변을 치료하기 위한 치료빔을 변환시키는 변환장치에 있어서, 입사되는 치료빔의 PVDR을 증가시키며 무분할 상태에서 공간분할 상태로 전환시키는 콜리메이터부; 및 상기 콜리메이터부를 통과한 상기 치료빔을 산란시키는 산란부를 포함하는 것에 의해 달성될 수 있다.
상기 콜리메이터부에는 복수의 슬릿이 형성되어 있으며, 상기 콜리메이터부를 통과한 상기 치료빔은 침투깊이에 따라 PVDR이 단조감소할 수 있다.
상기 산란부를 통과한 상기 치료빔은 PVDR이 1.0 내지 1.2로 감소한 상태로 상기 병변에 조사될 수 있다.
본 발명에 따르면 양성자빔과 같은 하전입자빔 치료과정에서 정상조직에 대한 영향이 감소하는 치료빔 변환장치가 제공된다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 제1실시예에 따른 변환장치의 사용형태를 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 변환장치의 구성을 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 변환장치에서 양성자빔의 선량형태변화를 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 변환장치에서 비정이동블록에 의한 양성자빔의 침투깊이 변화를 설명하기 위한 것이고,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 변환장치에서 콜리메이터부의 단면을 나타낸 것이고,
도 6은 빔 입사각-슬릿연장방향에 따른 측면선량분포를 전산모사한 것이고,
도 7은 콜리메이터부의 두께를 다르게 할 때, 매질의 깊이에 따른 PVDR의 변화를 나타내는 전산모사의 결과이고,
도 8은 산란부의 금속판 두께를 다르게 할 때, 매질의 깊이에 따른 PVDR의 변화를 나타낸 전산모사 결과이고,
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 변환장치에서 콜리메이터부와 흡수부 사이의 공기층 두께를 나타낸 것이고,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 변환장치에서 콜리메이터부의 단면을 나타낸 것이고,
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 변환장치에서 콜리메이터부의 형태를 나타낸 것이고,
도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 변환장치에서 산란부의 형태를 나타낸 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다. 첨부된 도면은 설명을 위해 각 부분의 두께나 길이 등이 과장되어 표현되어 있을 수 있다.
이하의 실시예에서는 치료빔으로 양성자빔을 예시하여 설명하나, 본 발명의 치료빔은 하전입자빔 중 하나일 수 있다. 하전입자빔은 양성자빔, 헬륨이온빔 및 탄소이온빔 중 어느 하나일 수 있다.
또한 이하의 실시예에서는 치료대상 병변을 뇌에 위치하는 종양을 예시하여 설명하나, 본 발명에서의 치료대상 병변의 위치와 병변 종류는 이에 한정되지 않는다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명의 제1실시예에 따른 변환장치의 사용형태를 나타낸 것이다.
변환장치(1)는 생성된 양성자빔을 환자에게 전달하는 양성자빔 전달장치의 말단에 연결되어 사용된다.
양성자빔 전달장치는 갠트리에 연결되어 회전할 수 있다. 환자(대상체)는 양성자빔 전달장치의 연장선상에 위치한 베드에 누워있게 되며, 양성자빔은 변환장치를 거친 후 환자의 병변에 조사된다.
병변 위치 등에 따라 양성자빔 전달장치의 구체적인 형상은 변경될 수 있으며, 치료시 환자의 자세 역시 변경될 수 있다.
도 2와 같이 변환장치(1)는 비정이동블록(10), 콜리메이터부(20), 산란부(30), 흡수부(40) 및 선택부(50)를 포함한다.
도 2에서는 각 구성을 수용하는 케이스 구성, 각 구성을 케이스 내에 지지하는 구성, 외부에서 선택부(50)를 조정하는 구성 및 각 구성간의 거리를 조절하는 구성 등은 도시를 생략하였다.
또한 도 2에서는 변환장치(1)를 양성자빔 전달장치에 결합시키는 구성은 도시하지 않았으며, 결합구성은 당업자가 적절히 선택할 수 있다.
비정이동블록(10), 콜리메이터부(20), 산란부(30) 및 흡수부(40)는 양성자빔 전달장치와 병변 사이에 순차적으로 배치되어 있으며, 양성자빔은 비정이동블록(10), 콜리메이터부(20), 산란부(30) 및 흡수부(40)를 순차적으로 거친 후에 병변으로 조사된다.
변환장치(1)를 거친 양성자빔은 환자의 두피, 두개골 및 정상뇌를 거쳐, 치료병변인 종양에 조사된다.
양성자빔의 선량형태를 환자의 두피에서 종양까지 순차적으로 나타내면 도 3과 같다.
양성자빔으로부터 보호해야 할 두피에 조사되는 양성자빔은 공간분할되어 있는 상태이며, PVDR(peak-valley dose ratio, 측면선량비)은 높은 상태이다. PVDR은 Dp(peak에서의 선량)/Dv(valley에서의 선량)로 계산될 수 있다.
본 발명에서 "공간분할"이란 공간적으로 주기적인 선량분포가 형성되는 것을 의미한다. 공간분할은 양성자빔의 PVDR이 1.1 초과, 1.2 초과 또는 1.5 초과인 상태로 간주할 수 있으며, 실질적으로는 1.1 내지 200, 1.2 내지 200 또는 1.5 내지 200일 수 있다.
두피에 입사되는 양성자빔의 PVDR은 3.0 내지 100일 수 있다.
공간분할된 양성자빔이 두피, 두개골 및 정상뇌를 거치는 과정에서 저선량영역이 빔의 진행경로상에 형성되기 때문에 정상조직이 보호되며, 특히 모발손실이 감소할 수 있다.
이후 양성자빔이 치료대상인 병변에 도달하면, 빔의 공간분할이 무분할 상태로 전환되면서 저선량 영역은 사라지고 PVDR은 1에 근접하게 된다. 균일해진 선량을 이용하여 병변을 효과적으로 치료한다. 병변에 조사되는 양성자빔의 PVDR은 1.0 내지 1.1 또는 1.0 내지 1.2일 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따르면 정상조직에서는 높은 공간분할 상태를 유지하고 종양에서는 무분할 상태가 된다. 이에 따라 정상조직은 최대한 보호하고 종양은 효과적으로 치료한다.
이하에서는 도 4 내지 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 변환장치를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 변환장치에서 비정이동블록에 의한 양성자빔의 침투깊이 변화를 설명하기 위한 것이고, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 변환장치에서 콜리메이터부의 단면을 나타낸 것이고, 도 6은 빔 입사각-슬릿연장방향에 따른 측면선량분포를 전산모사한 것이고, 도 7은 콜리메이터부의 두께를 다르게 할 때, 매질의 깊이에 따른 PVDR의 변화를 나타낸 전산모사 결과이고, 도 8은 산란부의 금속판 두께를 다르게 할 때, 매질의 깊이에 따른 PVDR의 변화를 나타낸 전산모사 결과이고, 도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 변환장치에서 공기층의 두께를 나타낸 것이다.
비정이동블록(10, range shifter)은 양성자빔 전달장치와 콜리메이터부(20) 사이에 위치한다. 비정이동블록(10)은 대상체내에서 양성자빔의 침투깊이를 변경하며, 특히 도 4와 같이 양성자빔의 환자내 침투깊이를 얕은 깊이로 이동시킨다. 비정이동블록(10)은 밀도가 0.7 g/cm3 내지 2 g/cm3인 고분자 재질로 마련될 수 있으며, 균일한 두께의 판상일 수 있다. 비정이동블록(10)은 탈부착 가능하게 마련될 수 있다.
콜리메이터부(20)는 내부에 다수의 슬릿(21)이 형성되어 있다. 각 슬릿(21)은 길게 연장되어 있으며, 다수의 슬릿(21)은 서로 나란히 배치되어 있다.
콜리메이터부(20)는 입사되는 양성자빔을 공간분할하면서 PVDR을 대상체내의 진행거리에 따라 단조감소하게 만든다.
콜리메이터부(20)의 재질은 황동 또는 텅스텐으로 이루어질 수 있다.
도 5와 같이 콜리메이터부(20)에 입사되는 양성자빔은 각 슬릿(21)마다 서로 다른 입사각을 가지고 입사될 수 있다. 각 슬릿(21)의 연장방향은 입사되는 양성자빔의 입사각에 대응하게, 즉 주사자석에 의해 주사되어 입사되는 양성자빔에 나란하게 마련되어 있다.
도 6은 주사자석에 의해 주사된 161 MeV 양성자빔이 서로 다른 2종류의 콜리메이터부에 입사할 때, 빔 입사각-슬릿연장방향에 따른 측면선량분포를 대상체 표면에서 전산모사한 결과이다.
본 발명과 같이 입사각-슬릿연장방향이 나란한 경우(defocusting slit)에는 피부에서의 선량윤곽선이 평평하고, 병변에서도 선량분포가 균일하다. 반면에 입사각과 슬릿연장 방향이 일치하지 않고 슬릿들간에 서로 평행한 경우(parallel slit)에는 피부에서의 선량윤곽선이 평평하지 않고 곡선을 이루게 된다. 이런 경우 병변에서도 선량분포가 균일하지 않게 된다.
가장 짧은 슬릿(21)의 연장길이(d1), 즉 콜리메이터부(20)의 두께는 양성자빔의 최대 침투깊이의 1.5배 내지 10배일 수 있다. 연장길이(d1)가 양성자빔의 최대 침투깊이의 1.5배 이하이면 PVDR의 단조감소가 어렵다. 연장길이(d1)가 양성자빔의 최대 침투깊이의 10배 이상이면 양성자빔의 손실이 너무 커서 치료시간이 매우 길어기며 콜리메이터의 취급이 어려워진다.
다른 실시예에서는 콜리메이더 바깥쪽으로 갈수록 슬릿(21)의 폭(d2)이 증가할 수 있다.
도 7은 황동에서의 최대 침투깊이가 4.52 cm인 200 MeV 양성자빔에 대해 슬릿의 연장길이를 5, 7 및 10 cm으로 변경하면서 매질의 깊이에 따른 측면 선량비 변화를 몬테칼로 전산모사에 의해 계산한 결과이다. 콜리메이터부의 재질은 황동재질을 가정하였고, 상기 매질은 물로 채워져 있다고 가정하였다.
도 7에서와 같이 최대 침투깊이의 약 1.5 배인 연장길이 7cm부터 PVDR이 대략적으로 단조감소함을 확인할 수 있다.
산란부(30)는 금속판으로 마련될 수 있으며, 서로 두께가 다른 복수의 금속판으로 마련될 수 있다.
각 산란부(30)는 선택부(50)에 장착되어 있다. 선택부(50)에는 통과공(51)이 마련되어 있으며, 콜리메이터부(20)를 통과하며 공간분할된 양성자빔은 통과공(51)으로 입사된다. 사용자는 복수의 산란부(30) 중 원하는 산란정도를 가진 산란부(50)를 통과공(51)에 위치시킨다.
산란부(30)의 산란정도는 금속판의 재질 및/또는 두께를 조정하여 서로 달리한다. 금속판은 밀도가 10 내지 25인 금속으로 만들 수 있으며, 구체적으로는 납, 비스무스 및 텅스텐 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
산란부(30)는 종양의 깊이에 맞추어 양성자빔이 무분할 상태가 되도록 한다. 즉 산란부(30)는 공간분할된 양성자빔의 PVDR이 1.2 또는 1.1보다 낮아지는 깊이를 결정하는 것이다.
도 8은 납 산란부의 두께에 따라 깊이별 양성자빔의 측면 선량비 조절을 보여주는 몬테칼로 전산모사 계산결과를 나타낸 것이다.
전산모사에서 양성자빔의 에너지는 161MeV였으며, 콜리메이터는 활동재질로 폭은 2.5mm, 슬릿 폭은 2.5mm, 슬릿간 거리는 5mm, 슬릿 연장길이는 10cm였다. 매질은 물로 채워져 있다고 가정하였다
도 8을 보면 산란부의 납 두께에 따라 PVDR이 1.1에 도달하는 깊이가 달라지는 것을 확인할 수 있다.
흡수부(40)는 산란부(30)와 병변 사이에 위치하며 양성자빔이 비정이동블록(10), 콜리메이터부(20) 및 산란부(30) 등에서 생성되거나 산란된 방사선들을 제거한다.
흡수부(40)는 밀도가 0.7g/cm3 내지 2g/cm3인 고분자 또는 밀도가 2g/cm3 내지 6g/cm3인 금속 중 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다. 흡수부(40)에 사용되는 금속은 알루미늄 또는 티타늄일 수 있다.
콜리메이터부(20)와 흡수부(40) 사이의 공기층 두께의 합은 조절가능하며 1 cm 내지 8 cm일 수 있다. 공기층 두께는 도 9에서와 같이 콜리메이터부(20)와 산란부(30) 사이의 거리(①) 및 산란부(30)와 흡수부(40) 사이의 거리(②)의 합계이다.
공기층 두께를 조절하면 종양내부의 선량균일도를 조절할 수 있다. 만약 공기층의 두께를 증가시키면 종양내부의 선량균일도를 향상시킬 수 있다. 하지만 두피에 조사되는 양성자빔의 PVDR은 감소하게 된다.
이상 설명한 일체의 변환장치(1)와 병변간의 거리 조절이 가능하다.
이하 본 발명의 제1실시예에 따른 변환장치를 이용한 환자 치료방법에 대해 설명한다.
먼저, 환자의 병변 위치 및 상태 등을 파악하여 치료계획을 수립한다.
치료계획에는 양성자빔의 최대 에너지, 조사 위치 및 치료 시간을 포함하고, 변환장치(1)의 선택 및 배치 위치 등도 포함한다.
변환장치(1)는 양성자빔이 분할상태를 유지하다 병변 위치에서 무분할상태가 되도록 구성을 선택한다. 산란부(30)의 선택이 핵심이며, 산란부(30)의 선택에는 비정이동블록(10)의 사용유무 및 흡수부(40)와 병변간의 거리 등을 감안한다.
원하는 변환장치(1)를 구성하여 양성자빔 생성장치에 결합시키고 환자를 배치시킨 후 양성자빔을 조사한다.
양성자빔은 비정이동블록(10)을 거치면서 환자내 침투깊이가 얕은 깊이로 이동한다. 이후 콜리메이터부(20)를 지나면서 공간분할되면서 PVDR이 진행에 따라 단조감소하게 된다. 양성자빔은 산란부(30)를 지나면서 산란되어 무분할상태로 전환될 깊이가 결정된다. 이후 양성자빔은 흡수부(50)를 지나 산란된 방사선이 제거된 후 환자에게 입사된다.
양성자빔은 환자의 정상조직에서는 분할상태 및 1.2 이상의 높은 PVDR을 유지하다가 병변에 도달하면 무분할상태 및 1.2 이하의 PVDR을 가지게 된다. 이를 통해 정상조직에 대한 양성자빔의 영향을 감소시키고 병변에서는 양성자빔에 의한 효과적인 치료가 가능하다.
이하 도 10 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 제2실시예 내지 제4실시예를 설명한다.
도 10의 제2실시예에서는 콜리메이터부(20)가 제1콜리메이터(20a)와 제2콜리메이터(20b)로 구성된다. 제1콜리메이터(20a)와 제2콜리메이터(20b)의 양성자 빔의 입사방향을 따라 배치되어 있다. 다른 실시예에서 콜리메이터부(20)은 3개 이상으로 마련될 수도 있으며, 서로 다른 재질일 수도 있다.
도 11의 제3실시예에서는 콜리메이터부(20)가 곡면형으로 마련되어 있으며, 환자를 향해 오목한 형상을 가지고 있다.
도 12의 제4실시예에서는 산란부(30)가 콜리메이터부(20)에 가깝게 위치하는 제1산란부(30a)와 콜리메이터부(20)에 멀게 위치하는 제2산란부(30b)를 포함한다. 제1산란부(30a)와 제2산란부(30b)는 모두 복수개로 마련되어 있다. 사용자는 제1산란부(30a)와 제2산란부(30b)를 조합하여 다양한 산란정도를 구현하여 양성자빔이 무분할상태로 전환되는 깊이를 조절할 수 있다.
예를 들어 제1산란부(30a)의 금속판이 10mm, 20mm, 30mm로 구성되고 제2산란부(30b)의 금속판이 3mm, 5mm, 7mm로 구성된다면, 사용자는 조합을 통해 10mm, 13mm, 15mm, 17mm, 20mm 등의 금속판 두께를 사용할 수 있다.
제1산란부(30a)와 제2산란부(30b)는 이격되어 있을 수 있으며, 이 경우 제4실시예에서의 총 공기층 두께는 제1산란부(30a)와 제2산란부(30b) 사이의 간격을 포함한다.
전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (23)

  1. 대상체의 병변을 치료하기 위한 치료빔을 변환시키는 변환장치에 있어서,
    상기 치료빔이 입사되며 복수의 슬릿이 형성되어 있는 콜리메이터부; 및
    상기 콜리메이터부를 통과한 상기 치료빔을 산란시키는 산란부를 포함하는 변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 치료빔은 하전입자빔을 포함하는 변환장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하전입자빔은 양성자빔, 헬륨이온빔 및 탄소이온빔 중 어느 하나를 포함하는 변환장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 각 슬릿은 길게 연장되어 있고,
    상기 복수의 슬릿은 나란히 형성되어 있으며,
    상기 슬릿에 의해 상기 치료빔은 공간적으로 분할되는 변환장치.
  5. 제4항에 있어서,
    치료빔은 상기 복수의 슬릿에 서로 다른 입사각으로 입사되며,
    상기 각 슬릿의 연장방향은 해당 입사각에 대응하도록 형성되어 있는 변환장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 슬릿 중 가장 짧은 슬릿의 상기 치료빔의 진행방향으로의 연장길이는 상기 치료빔의 최대 침투깊이의 1.5배 내지 10배인 변환장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 콜리메이터부는 상기 치료빔의 진행방향을 따라 배치된 제1콜리메이터부와 제2콜리메이터부를 포함하는 변환장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 콜리메이터부는 황동 및 텅스텐 중 어느 하나를 포함하여 이루어진 변환장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 콜리메이터부는 상기 병변을 향해 오목한 형태인 변환장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 산란부는 산란 정도가 상이하며 사용자가 선택가능한 복수개로 마련되는 변환장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 산란부는,
    상기 제1산란부와;
    상기 제1산란부와 상기 병변 사이에 위치하는 제2산란부를 포함하며,
    상기 제1산란부 및 상기 제2산란부는, 각각 산란정도가 다른 복수의 산란부를 포함하는 변환장치.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 산란부를 거친 상기 치료빔은 상기 병변에 조사되며,
    상기 치료빔은 상기 병변에서 무분할 상태로 전환되는 변환장치.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 산란부는 금속판을 포함하는 변환장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 금속판의 금속은 밀도가 10 g/cm3 내지 25 g/cm3 인 변환장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 금속판의 금속은 납, 비스무스 및 텅스텐 중 어느 하나를 포함하는 변환장치.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 치료빔은 상기 콜리메이터 및 상기 산란부를 통과하면서 치료용 공간분할 방사선으로 변환되며,
    상기 산란부와 상기 병변 사이에 위치하며 상기 방사선의 적어도 일부를 흡수하는 흡수부를 더 포함하는 변환장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 흡수부는,
    밀도가 0.7 g/cm3 내지 2 g/cm3 인 고분자 및
    밀도가 2 g/cm3 내지 6 g/cm3인 금속 중 어느 하나를 포함하여 이루어진 변환장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 콜리메이터부와 상기 흡수부 사이의 총 공기층 두께는 조절가능하며, 1 cm 내지 8 cm인 변환장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 흡수부와 상기 병변 사이의 간격은 조절가능한 변환장치.
  20. 제2항에 있어서,
    상기 치료빔을 전달하는 치료빔 전달장치와 상기 콜리메이터부 사이에 위치하며, 상기 치료빔의 상기 대상체 내 침투깊이를 얕은 깊이로 이동시키며 탈부착가능한 비정이동블록을 더 포함하는 변환장치.
  21. 대상체의 병변을 치료하기 위한 치료빔을 변환시키는 변환장치에 있어서,
    입사되는 치료빔의 PVDR을 증가시키며 무분할 상태에서 공간분할 상태로 전환시키는 콜리메이터부;및
    상기 콜리메이터부를 통과한 상기 치료빔을 산란시키는 산란부를 포함하는 변환장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 콜리메이터부에는 복수의 슬릿이 형성되어 있으며,
    상기 콜리메이터부를 통과한 상기 치료빔은 침투깊이에 따라 PVDR이 단조감소하는 변환장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 산란부를 통과한 상기 치료빔은 PVDR이 1.0 내지 1.2로 감소한 상태로 상기 병변에 조사되는 변환장치.
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