WO2023101271A1 - 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치 - Google Patents

중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치 Download PDF

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WO2023101271A1
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neutron
neutrons
labyrinth
moderator
beam forming
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PCT/KR2022/018101
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홍봉환
김민호
박승우
민선홍
박차원
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한국원자력의학원
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    • A61N2005/1092—Details
    • A61N2005/1095—Elements inserted into the radiation path within the system, e.g. filters or wedges

Definitions

  • the present invention relates to a labyrinth type neutron beam forming device for medical boron neutron capture treatment.
  • Boron neutron capture therapy is a treatment method in which a material containing boron is injected in advance to accumulate boron in cancer cells, and then neutrons are irradiated to cause nuclear fission in the cancer cells, and particles are released by nuclear fission to kill cancer cells.
  • Boron neutron capture therapy is known to be effective for brain tumors, head and neck cancer, skin cancer, etc., and is in the limelight as a next-generation cancer treatment method in that it can minimize side effects caused by radiation exposure of normal cells compared to conventional radiation treatment methods.
  • the neutrons generated by the boron neutron capture treatment device are fast neutrons with an energy of 10 keV or more, epithermal neutrons with an energy of 0.5 eV to 10 keV, and thermal neutrons with an energy of 0.5 eV or less. are separated by Among them, it is known that fast neutrons have high penetrability and cause radioactive side effects in tissues around the tumor, and thermal neutrons with low energy cause radioactive side effects in the skin, which is not suitable for therapeutic purposes.
  • the present invention solves the problems of the beam shaping device used in the conventional boron neutron capture treatment device and provides a beam shaping device that minimizes the decrease in neutron flux and at the same time minimizes the dose contamination value caused by gamma rays and fast neutrons. There is a purpose.
  • a neutron beam forming module provided along the moving direction of neutrons, configured to reduce the flux of gamma rays and fast neutrons and to minimize the decrease in the flux of extrathermal neutrons, and wrapped around the circumference of the neutron beam forming module.
  • a maze-type neutron beam shaping device for neutron capture treatment may be provided, including a reflector, wherein the neutron beam shaping module is provided along an axis extending from the front to the rear, and at least a part of the neutron beam shaping module is provided along a path different from the axial path.
  • the neutron beam shaping module is configured to shield fast neutrons, is provided at a first shielding unit disposed adjacent to a target for generating neutrons, and a rear end of the first shielding unit, and is configured to reduce neutron energy. It may be configured to include a moderator and a second shielding unit provided at a rear end of the moderator and configured to shield thermal neutrons and gamma rays.
  • the inclined surface may be formed at a boundary of at least one of the first shielding unit, the moderator, and the second shielding unit.
  • the reflective surfaces provided on the left and right sides of the neutron beam shaping module may be provided asymmetrically.
  • the inclined surface is formed on the boundary surface between the moderator and the reflector, and may be configured to have at least two different angles.
  • two different slopes may be disposed at positive and negative angles from a plane parallel to the moving direction of the particle beam.
  • boundary surface between the moderator and the reflector may include a reflective surface provided at an angle parallel to the irradiation direction of the particle beam.
  • first shielding part and the second shielding part may be provided in parallel with each other.
  • the center of the first shielding unit and the second shielding unit may be located on the irradiation path of the particle beam.
  • the centers of the first shielding unit and the second shielding unit may be located at different points from the irradiation path of the particle beam.
  • first shielding part and the second shielding part may be provided at different angles.
  • the first shielding agent may be disposed not perpendicular to the direction of irradiation of the particle beam.
  • the maze-type neutron beamforming device for neutron capture therapy has the effect of minimizing the dose contamination value (physical dose value / extrathermal neutron value) in the BNCT recommended by IAEA-TECDOC-1223.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a neutron capture therapy device.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing a beam forming apparatus and a target according to the present invention.
  • Figures 4a, 4b, 4c and 4d show the performance of the neutron shaping device at the moderator angle of the beam shaping device.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a labyrinth-type neutron beam forming device for neutron capture therapy, which is a first embodiment according to the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a labyrinth-type neutron beam forming device for neutron capture therapy, which is a second embodiment according to the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a labyrinth-type neutron beam forming device for neutron capture therapy, which is a third embodiment according to the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a labyrinth-type neutron beam forming device for neutron capture therapy, which is a fourth embodiment according to the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a labyrinth-type neutron beam forming device for neutron capture therapy, which is a fifth embodiment according to the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a labyrinth-type neutron beam forming device for neutron capture therapy, which is a sixth embodiment according to the present invention.
  • Front refers to the direction in which the beam shaping device looks at the accelerator
  • rear refers to the direction in which the neutrons finally reach the patient. According to the direction described above, neutrons are irradiated from the front side to the beam forming device, pass through the beam forming device, and exit backward.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a neutron capture therapy device.
  • the neutron generator for generating neutrons in boron neutron capture treatment is a particle accelerator (1) such as a cyclotron, a linear accelerator, and an electrostatic accelerator, and an electrostatic type accelerating a proton beam emitted from the particle accelerator (1) at high speed. It is configured to include an accelerator 2 and a chamber 3 equipped with a target installed on the beam path of the proton beam and colliding with the beam to emit neutrons therein.
  • the neutrons generated from the target can be classified into fast neutrons with an energy of 10 keV or more, epithermal neutrons with an energy of 0.5 eV to 10 keV, and thermal neutrons with an energy of 0.5 eV or less.
  • the beam shaping device 100 is divided so that it can be converted into out-of-therapeutic neutrons suitable for treatment.
  • the neutron beam passing through the beam shaping device 100 is configured to pass through a desired area by a collimator, and is finally irradiated to the affected area of the patient 3 to cause a nuclear reaction.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing a beam forming apparatus and a target according to the present invention.
  • a particle beam is irradiated to the target 200 to cause a nuclear reaction and also to generate gamma rays ( ⁇ ). At this time, the generated neutrons and gamma rays are emitted toward the rear at various angles.
  • the beam forming device 100 After the beam forming device 100
  • the beam shaping apparatus 100 is different from the conventional beam shaping apparatus 100, which is arranged in a straight line along the direction in which the particle beam is irradiated, that is, in the forward and backward directions, and the angle and half of the beam shaping apparatus 100. It is configured to minimize the decrease in neutron flux and shield gamma rays by adjusting the angle of the slope.
  • the beam shaping apparatus 100 may include a beam shaping module 110 for determining a region through which neutrons pass, and a reflector provided while wrapping a side surface of the beam shaping module 110 .
  • the beam shaping module 110 may be provided along an axis extending from the front to the rear. At this time, at least a part of the beam shaping module 110 may be provided along a path different from the axis.
  • the beam shaping module 110 may include a first shielding unit 111 , a moderator 112 and a second shielding unit 113 .
  • the first shield 111, the moderator 112, and the second shield 113 may be sequentially disposed from the front to the rear.
  • the first shielding unit 111 is configured to shield fast neutrons.
  • the first shielding unit 111 may include, for example, iron or aluminum.
  • the moderator 112 is configured to decelerate neutrons that have passed through the first shielding unit 111 into an extraneous neutron region.
  • the moderator 112 may include fluorine, MgF2, CaF2, PbF2, AlF3, PTFE [(CF2)n] and Fludental (AlF3: 69%, Al: 30%, LiF: 1%) It may be configured including materials such as.
  • the second shielding unit 113 is configured to shield thermal neutrons and also shield gamma rays.
  • the second shielding part 113 may include a thermal neutron filter and a gamma filter.
  • a thermal neutron filter may be configured to prevent thermal neutrons from passing through.
  • the thermal neutron filter may include cadmium (cd) or boron and may have a density of 8.65 g/cm3.
  • the gamma filter may be configured to prevent gamma rays generated when filtering or decelerating neutrons from leaking toward the collimator.
  • the gamma filter may include, for example, bismuth and may have a density of 9.75 g/cm3.
  • the reflector 120 is configured to prevent and shield gamma rays and neutrons from being emitted to an unintended area.
  • the reflector is configured to cover the upper and lower surfaces and both sides of the beam shaping module 110 .
  • the reflector 120 may include, for example, lead or nickel.
  • FIG. 3 as a simulation result using Monte Carlo N-Particle code (MCNP, v6.2), a neutron back-flux distribution is shown, and the direction of neutrons is induced toward the exit when an inclined neutron shaping device is used. You can check out what you can do. That is, it can be confirmed that the neutron flux is maintained.
  • MCNP Monte Carlo N-Particle code
  • Figures 4a, 4b, 4c and 4d show the performance of the neutron beam forming device at the moderator angle of the beam forming device.
  • FIG 4a it shows the neutron energy fluence at the exit of the neutron shaping device according to the moderator angle. It can be seen that the fluence of the thermal neutrons is the highest when the moderator angle of the beam forming module with the axis in the forward and backward directions is around 10 degrees, and the fluence of the thermal neutrons decreases at an angle higher than that.
  • the physical dose (Gy) of fast neutrons and gamma rays according to an inclined angle of the neutron shaping device is shown. It can be seen that the physical dose (Gy) of gamma rays decreases as the angle of inclination of the neutron beam forming module from the longitudinal axis increases.
  • the dose pollution degree is the value obtained by dividing the physical dose (Gy) by rapid neutrons and gamma rays by the extrathermal neutron flux at the exit.
  • the moderator angle of the beam shaping module was 0 to 40 degrees, the dose contamination level was maintained at a certain level, but after 40 degrees, a tendency to increase could be confirmed. 4c, as the moderator angle of the beam shaping module increases, the physical dose (Gy) decreases, but also because the flux of the thermal neutrons decreases, it can be seen that the dose contamination increases on the contrary. .
  • the thermal neutron ratio can be maintained at an appropriate level within the moderator angle of the beam shaping module with the axis in the forward and backward direction within 0 to 40 degrees. .
  • the neutrons required for treatment are guided to the exit of the neutron shaping device and at the same time change according to the angle of the external neutron flux and gamma rays It is possible to minimize the dose contamination value caused by fast neutrons.
  • 5 to 10 conceptually illustrate states in which the target and the beam forming device are cut along a plane parallel to the horizontal for convenience of description.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a labyrinth-type neutron beam forming device for neutron capture therapy, which is a first embodiment according to the present invention.
  • the first shielding unit 111 and the second shielding unit 113 are disposed parallel to each other but not aligned.
  • the moderator 112 is formed to extend at a certain angle from the axis in the forward and backward direction (x1, which is the same as the irradiation path of the particle beam).
  • the second shielding part 113 may be determined at a position where the axis x1 in the forward and backward direction does not deviate to the outside.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a labyrinth-type neutron beam forming device for neutron capture therapy, which is a second embodiment according to the present invention.
  • the moderator 112 may be divided into a first region, a second region, and a third region.
  • the first area and the third area may be disposed along a direction parallel to the axis x1 in the front-back direction.
  • the second area may be disposed at a predetermined angle from the axis x1 in the front-back direction.
  • the reflection surface formed at the boundary between the reflector 120 and the beam shaping module 110 may be disposed at two angles. That is, it may include a reflective surface parallel to the longitudinal axis and a reflective surface provided at a predetermined angle with the longitudinal axis.
  • the second shield 113 may be provided at a position through which an axis in the front and rear direction can pass.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a labyrinth-type neutron beam forming device for neutron capture therapy, which is a third embodiment according to the present invention.
  • the first shielding unit 111 and the second shielding unit 113 are disposed along an axis x1 in the front-back direction, and the inside of the moderator 112 has three axes. It can be configured to extend along.
  • the moderator 112 includes a first area extending along an inclined axis x2 from a point connected to the first shielding part 111, and a second area extending along an axis x3 parallel to the longitudinal axis x1. 2 area, and a third area extending along the axis x4 extending toward the longitudinal axis.
  • the reflective surface of the reflector 120 may form an inclined surface inclined at a positive angle and an inclined surface inclined at a negative angle based on a plane parallel to the forward and backward directions.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a labyrinth-type neutron beam forming device for neutron capture therapy, which is a fourth embodiment according to the present invention.
  • the beam shaping device is configured in a rhombus shape, and the first shielding unit 111 may be provided at a predetermined angle rather than perpendicular to the axis x1 in the forward and backward direction.
  • the second shield 113 may be provided at a position through which the axis x1 in the forward and backward direction passes.
  • the first shielding unit 111, the moderator 112, and the second shielding unit 113 of the beam forming module 100 are along an axis x2 formed at a predetermined angle with the axis x1 in the forward and backward direction. Can be arranged in a straight line.
  • the inclined surface may be formed at a boundary between the first shielding unit 111 , the moderator 112 and the second shielding unit 113 .
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a labyrinth-type neutron beam forming device for neutron capture therapy, which is a fifth embodiment according to the present invention.
  • the fifth embodiment may be divided into three regions S1 , S2 , and S3 similarly to the configuration of the moderator 112 in FIG. 2 .
  • the first shielding unit 111 and the second shielding unit 113 may be parallel to each other, but may be provided in a direction that is not orthogonal to the axis x1 in the front-back direction.
  • the beam shaping module 100 may be provided while the path is adjusted along the five axes (x2, x3, x4, x5, x6).
  • the inclined surface may be formed at a boundary between the second area S2 among the first shielding unit 111, the second shielding unit 113, and the moderator 112.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a labyrinth-type neutron beam forming device for neutron capture therapy, which is a sixth embodiment according to the present invention.
  • the first shielding part 111 and the second shielding part 113 may be disposed in a non-parallel state.
  • the beam forming device may be formed in a trapezoidal shape as a whole.
  • the first shielding part 111 is disposed along the axis x2 inclined with the axis x1 in the front and rear direction, and the moderator 112 may extend in parts along the three axes. At this time, the moderator 112 may be configured similarly to the case of being divided into three regions S1, S2, and S3 in the third embodiment.
  • the first shielding unit 111 is disposed with the angle adjusted in the clockwise direction in FIG. 10 from the front-back axis x1, and the second shielding unit 113 is disposed along the front-back axis (x1). The angle may be adjusted in a counterclockwise direction from x1) and disposed.
  • the maze-type neutron beam forming device for neutron capture treatment changes the path of the beam shaping device like a maze, and the angle of the reflecting surface is also provided at various angles from the axis in the forward and backward directions, so that the neutron flux is maintained and has the effect of drastically reducing the gamma ray flux.

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Abstract

본 발명은, 빔 성형 장치의 경로를 미로와 같이 변화를 주고 반사면의 각도 또한 전후 방향의 축으로부터 다양한 각도를 두어 구비하여 중성자 플럭스는 유지하고 감마선 플럭스를 획기적으로 줄일 수 있는 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치에 관한 것이다.

Description

중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치
본 발명은 의료용 붕소 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치에 관한 것이다.
붕소 중성자 포획치료는 미리 붕소를 포함한 물질을 주입하여 암세포에 붕소를 누적시킨 뒤 중성자를 조사하여 암세포 내에서 핵분열을 일으키고, 핵분열에 의한 입자가 방출되면서 암세포를 사멸시키는 치료방법이다. 붕소 중성자 포획치료는 대표적으로 뇌종양, 두경부암, 피부암등에 효과적으로 알려져 있으며, 종래의 방사선 치료방법에 비해 정상세포의 방사선 노출에 의한 부작용을 최소화 할 수 있다는 점에서 차세대 암치료방법으로 각광받고 있다.
붕소 중성자 포획치료 장치에 의해 발생되는 중성자는 에너지에 따라 10keV 이상의 에너지를 갖는 속 중성자(fast neutron), 0.5eV 내지 10keV 열외 중성자( epithermal neutron) 그리고 0.5eV 이하의 에너지를 갖는 열 중성자(thermal neutron)로 구분된다. 이 중 속 중성자는 투과력이 높아 종양 주변 조직에 방사성 부작용을 일으키며, 또한 에너지가 낮은 열 중성자는 피부에 방사성 부작용을 야기하여 치료용 목적으로 적합하지 않는 것으로 알려져 있다.
이러한 붕소 중성자 포획지료 장치와 관련하여 미국 등록특허 US10124192 호가 개시되어 있다. 한편 이러한 종래기술에서는 중성자 포획치료에서 발생할 수 있는 방사선에 의한 불필요한 선량들을 제어하기 위해서 속중성자필터, 감마선필터 등 빔 방향으로 배치하어 사용하고 있었으나, 이러한 필터의 사용은 치료에 필요한 열외중성자의 플럭스 역시 감소시킬 수 있다는 단점을 가지고 있었다.
본 발명은 종래의 붕소 중성자 포획치료 장치에 사용되는 빔 성형 장치의 문제점을 해결하고 중성자 플럭스의 감소를 최소화 하면서, 동시에 감마선과 속중성자에 의한 선량오염값을 최소화 하는 빔 성형장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기 과제의 해결 수단으로서, 중성자의 이동방향을 따라 구비되며, 감마선 및 속중성자 플럭스를 감소시키고 열외중성자 플럭스의 감소를 최소화 할 수 있도록 구성되는 중성자 빔 성형 모듈 및 중성자 빔 성형 모듈의 둘레를 감싸며 구비되는 반사체를 포함하며, 중성자 빔 성형 모듈은 전방으로부터 후방에 이르는 축을 따라 구비되되, 적어도 일부가 축과 상이한 경로를 따라 구비되는 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치가 제공될 수 있다.
한편, 중성자 빔 성형 모듈은, 속중성자를 차폐할 수 있도록 구성되며, 중성자 발생용 타겟에 인접하여 배치되는 제1 차폐부, 제1 차폐부의 후단에 구비되며, 중성자의 에너지를 감소시킬 수 있도록 구성되는 감속재 및 감속재의 후단에 구비되며, 열중성자 및 감마선을 차폐할 수 있도록 구성되는 제2 차폐부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 경사면은 제1 차폐부, 감속재 및 제2 차폐부 중 적어도 하나의 경계에 형성될 수 있다.
또한, 중성자 빔 성형 모듈의 좌우측에 구비된 반사면은 서로 비대칭으로 구비될 수 있다.
한편, 경사면은 감속재와 반사체의 경계면에 형성되며, 적어도 두 개의 서로 다른 각도를 갖도록 구성될 수 있다.
한편, 서로 다른 두개의 경사면은 입자빔의 이동방향과 평행한 평면으로부터 양의각 및 음의각을 두어 배치될 수 있다.
또한, 감속재와 반사체의 경계면은 입자빔의 조사 방향과 평행한 각도로 구비되는 반사면을 포함할 수 있다.
한편, 제1 차폐부와 제2 차폐부는 서로 평행하게 구비될 수 있다.
또한, 제1 차폐부와 제2 차폐부의 중심은 입자빔의 조사 경로상에 위치될 수 있다.
한편, 제1 차폐부와 제2 차폐부의 중심은 입자빔의 조사경로와 상이한 지점에 위치될 수 있다.
또한, 제1 차폐부와 제2 차폐부는 서로 다른 각도로 구비될 수 있다.
한편, 제1 차폐제는 입자빔의 조사방향과 직교하지 않도록 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치는 IAEA-TECDOC-1223에서 권고하고 있는 BNCT에서의 선량오염값(물리적선량값/열외중성자값)을 최소화 시킬 수 있는 효과를 가지고 있다.
도 1은 중성자 포획치료 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 빔 성형 장치와 타겟을 나타낸 개념도이다.
도 3은 종래의 빔 성형 장치와 본 발명에 따른 빔 성형 장치에서 중성자에 대한 전산모사를 수행한 결과이다.
도4a, 4b, 4c 및 4d는 빔 성형장치의 moderator angle에 중성자 성형장치의 성능을 보여준다.
도 5는 본 발명에 따른 제1 실시예인 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제2 실시예인 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 제3 실시예인 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 제4 실시예인 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치의 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 제5 실시예인 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치의 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 제6 실시예인 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치의 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 이하의 실시예의 설명에서 각각의 구성요소의 명칭은 당업계에서 다른 명칭으로 호칭될 수 있다. 그러나 이들의 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 변형된 실시예를 채용하더라도 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 각각의 구성요소에 부가된 부호는 설명의 편의를 위하여 기재된다. 그러나 이들 부호가 기재된 도면상의 도시 내용이 각각의 구성요소를 도면내의 범위로 한정하지 않는다. 마찬가지로 도면상의 구성을 일부 변형한 실시예가 채용되더라도 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 당해 기술 분야의 일반적인 기술자 수준에 비추어 보아, 당연히 포함되어야 할 구성요소로 인정되는 경우, 이에 대하여는 설명을 생략한다.
이하에서 방향에 대한 설명으로 '전방'과 '후방'의 용어를 사용하도록 한다. 전방은 빔 성형 장치가 가속기를 바라보는 방향을 뜻하며, 후방은 중성자가 최종적으로 도달하는 환자를 바라보는 방향으로 정의하고 설명하도록 한다. 상기 기술한 방향에 의하면 중성자는 전방측에서부터 빔 성형 장치로 조사되며, 빔 성형 장치를 통과하여 후방으로 빠져나가게 된다.
도 1은 중성자 포획치료 장치의 개념도이다.
도시된 바와 같이 붕소 중성자 포획치료에서 중성자를 발생시키는 중성자 발생장치는 사이클로트론, 선형가속기 및 정전형가속기 와 같은 입자가속기(1)와 입자가속기(1)로부터 고속으로 방출되는 양성자 빔을 가속하는 정전형가속기(2)와, 양성자빔의 빔 경로상에 설치되며 빔에 충돌하여 그 내부의 중성자를 방출하는 타겟이 구비된 챔버(3)를 포함하여 구성된다.
타겟에서 발생된 중성자는 10keV 이상의 에너지를 갖는 속 중성자(fast neutron), 0.5eV 내지 10keV 열외 중성자( epithermal neutron) 그리고 0.5eV 이하의 에너지를 갖는 열 중성자(thermal neutron)로 구분될 수 있으며, 속 중성자를 치료에 적합한 열외 중성자로 전환할 수 있도록 빔 성형 장치(100)가 구분된다.
빔 성형 장치(100)를 통과한 중성자 빔은 콜리메이터에 의해 원하는 영역을 통과하도록 구성되며, 최종적으로 환자(3)의 환부에 조사되어 핵반응이 이루어진다.
도 2는 본 발명에 따른 빔 성형 장치와 타겟을 나타낸 개념도이다.
도 2를 참조하면, 중성자 포획치료시에 입자빔이 타겟(200)으로 조사되어 핵 반응이 일어나게 되며, 또한 감마선(γ)이 발생하게 된다. 이때 발생된 중성자 및 감마선은 후방을 향하여 다양한 각도로 방출된다. 이후 빔 성형 장치(100)
를 통과하면서 적절한 에너지를 갖는 열외중성자 영역으로 감속되고 필터링되어 환자에게 조사될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 빔 성형 장치(100)는 입자빔이 조사되는 방향, 즉 전후방향을 따라 직선형으로 배치되어 있던 종래의 빔 성형 장치(100)와 달리 빔 성형 장치(100)의 각도 및 반사면의 각도를 조절하여 중성자 플럭스의 감소를 최소화 하고 감마선을 차폐할 수 있도록 구성된다.
본 발명에 따른 빔 성형 장치(100)는 중성자가 통과하는 영역을 결정하는 빔 성형 모듈(110)과 빔 성형 모듈(110)의 측면을 감싸면서 구비되는 반사체를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에서 빔 성형 모듈(110)은 전방으로부터 후방에 이르는 축을 따라 구비될 수 있다. 이때 빔 성형 모듈(110)의 적어도 일부는 축과 상이한 경로를 따라 구비될 수 있다.
빔 성형 모듈(110)은 제1 차폐부(111), 감속재(112) 및 제2 차폐부(113)를 포함하여 구성될 수 있다. 제1 차폐부(111), 감속재(112) 및 제2 차폐부(113)는 전방으로부터 후방을 향하여 차례대로 배치될 수 있다.
제1 차폐부(111)는 속중성자를 차폐할 수 있도록 구성된다. 제1 차폐부(111)는 일 예로서, 철 또는 알루미늄을 포함하여 구성될 수 있다.
감속재(112)는 제1 차폐부(111)를 통과한 중성자를 열외 중성자 영역으로 감속시킬 수 있도록 구성된다. 감속재(112)는 불소(Fluorine)를 포함하여 구성될 수 있으며, MgF2, CaF2, PbF2, AlF3, PTFE [(CF2)n] 및 Fludental(AlF3: 69%, Al:30%, LiF: 1%) 등의 재질을 포함하여 구성될 수 있다.
제2 차폐부(113)는 열 중성자를 차폐하고 감마선 또한 차폐할 수 있도록 구성된다. 제2 차폐부(113)는 열 중성자 필터 및 감마 필터를 포함할 수 있다.
열 중성자 필터는 열 중성자가 통과하는 것을 방지할 수 있도록 구성될 수 있다. 일 예로서, 열 중성자 필터는 카드뮴(cd) 또는 붕소를 포함하여 구성될 수 있으며, 8.65 g/cm3 의 밀도를 갖도록 구성될 수 있다. 한편, 감마 필터는 중성자의 필터링 또는 감속시에 발생하는 감마선이 콜리메이터 측으로 유출되는 것을 방지할 수 있도록 구성될 수 있다. 감마 필터는 일예로서 비스무스를 포함하여 구성될 수 있으며, 9.75 g/cm3의 밀도를 갖도록 구성될 수 있다.
반사체(120)는 감마선 및 중성자가 의도하지 않은 영역으로 방출되는 것을 방지하고 차폐할 수 있도록 구성된다. 반사체는 빔 성형 모듈(110)의 윗면과 아랫면, 그리고 양측면을 감쌀 수 있도록 구성된다. 반사체(120)는 일 예로서 납 또는 니켈을 포함하여 구성될 수 있다.
도 3은 종래의 빔 성형 장치와 본 발명에 따른 빔 성형 장치에서 중성자에 대한 전산모사를 수행한 결과이다.
도 3을 참조하면, Monte Carlo N-Particle code (MCNP, v6.2)를 이용한 시뮬레이션 결과로서, 중성자 등-플럭스 분포가 나타나 있으며, 기울어진 중성자 성형장치를 사용하였을 때 중성자의 방향을 출구쪽으로 유도할 수 있는 것을 확인할 수 있다. 즉 중성자 플럭스가 유지됨을 확인할 수 있다.
도 4a, 4b, 4c 및 4d는 빔 성형장치의 moderator angle에 중성자 빔 성형 장치의 성능을 보여준다.
도 4a를 참조하면, moderator angle에 따른 중성자 성형장치 출구에서의 중성자의 에너지 별 플루언스를 보여준다. 빔 성형 모듈이 전후 방향의 축과 이루는 각도(moderator angle)가 10도 부근에서 열외중성자의 플루언스(fluence)가 가장 높았으며 그 이상의 각도에서는 열외중성자가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 본 발명에 따른 중성자 빔 성형 장치의 출구에서의 열외중성자 비율(Epithermal ratio)이 최대가 되는 것을 확인 할 수 있다.
도 4c를 참조하면, 중성자 성형장치의 기울어진 각도에 의한 속중성자, 감마선의 물리적 선량(Physical dose, Gy)을 보여준다. 중성자 빔 성형 모듈이 전후방향의 축으로부터 기울어진 각도가 커질수록 감마선의 물리적 선량(Gy)이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 4d를 참조하면, IAEA에서 정의하는 선량오염도(Dose contamination)이다. 선량오염도는 속중성자, 감마선에 의한 물리적 선량(Gy)을 출구에서의 열외중성자 플럭스로 나눈 값이다. 빔 성형 모듈이 전후방향의 축과 이루는 각도(moderator angle)가 0 내지 40도일 때 선량오염도가 일정수준을 유지하였으나 40도 이후에서는 증가되는 경향을 확인할 수 있다. 이는 도 4c에서 빔 성형 모듈이 전후방향의 축으로부터 기울어진 각도(moderator angle)가 커질수록 물리적 선량(Gy)은 줄어들었으나, 또한 열외중성자의 플럭스가 줄어들기 때문에 선량오염도는 반대로 커지는 것을 확인할 수 있다.
결국 빔 성형 모듈이 전후방향의 축과 이루는 각도(moderator angle)가 0 내지 40도 내에서 열외중성자 비율을 적정 수준으로 유지할 수 있으며, 이때 감마선의 차폐또한 적절하게 이루어져 낮은 선량오염도를 유지할 수 있게 된다.
도3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예와 같이 빔 성형 모듈의 경로에 변화를 주는 경우, 치료에 필요한 중성자를 중성자 성형장치 출구로 가이드함과 동시에 각도에 따라서 변하는 열외중성자 플럭스 및 감마선과 속중성자에 의한 선량오염값을 최소화 할 수 있게 된다..
이하에서는 도 5 내지 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 빔 성형 장치의 변형 예에 대하여 상세히 설명하도록 한다. 도 5 내지 도 10에서는 설명의 편의를 위해 수평과 평행한 평면을 따라 타겟 및 빔 성형 장치를 절개한 상태를 개념적으로 도시하였다.
도 5는 본 발명에 따른 제1 실시예인 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 제1 실시예인 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치는 제1 차폐부(111)와 제2 차폐부(113)가 서로 평행하게 배치되되 어긋나게 배치될 수 있다. 한편, 감속재(112)는 전후방향의 축(x1, 입자빔의 조사경로와 동일)으로부터 일정 각도를 두어 연장되어 형성되어 있다. 이때 제2 차폐부(113)는 전후방향의 축(x1)이 외부로 벗어나지 않는 위치로 결정될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 제2 실시예인 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 제1 실시예와 달리 감속재(112)가 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역으로 구분될 수 있다. 제1 영역과 제3 영역은 전후방향의 축(x1)과 평행한 방향을 따라 배치될 수 있다. 한편, 제2 영역은 전후방향의 축(x1)으로부터 소정각도를 두어 배치될 수 있다. 이때 반사체(120)와 빔 성형 모듈(110)의 경계에 형성되는 반사면은 두 개의 각도로 배치될 수 있다. 즉 전후방향의 축과 평행한 반사면과, 전후방향의 축과 일정 각도를 두어 구비된 반사면을 포함할 수 있다. 본 실시예에서도 제2 차폐부(113)는 전후방향의 축이 통과될 수 있는 위치로 구비될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 제3 실시예인 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 제2 실시예와 달리 제1 차폐부(111)와 제2 차폐부(113)가 전후방향의 축(x1)을 따라 배치되며, 감속재(112)의 내부는 3개의 축을 따라 연장되도록 구성될 수 있다.
감속재(112)는 제1 차폐부(111)와 연결되는 지점부터 경사진 축(x2)를 따라 연장되는 제1 영역, 전후방향의 축(x1)과 평행한 축(x3)을 따라 연장되는 제2 영역, 그리고 다시 전후방향의 축을 향하여 연장되는 축(x4)를 따라 연장되는 제3 영역으로 구성될 수 있다. 이때 반사체(120)의 반사면은 전후 방향과 평행한 평면을 기준으로 양의각으로 기울어진 경사면과 음의 각으로 기울어진 경사면을 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 제4 실시예인 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 제4 실시예는 빔 성형 장치가 마름모의 형태로 구성되며, 제1 차폐부(111)가 전후방향의 축(x1)과 직교하지 않고 소정 각도를 두어 구비될 수 있다. 이때 제2 차폐부(113)는 전후방향의 축(x1)이 통과하는 위치로 구비될 수 있다. 한편, 빔 성형 모듈(100)의 제1 차폐부(111), 감속재(112) 및 제2 차폐부(113)는 전후방향의 축(x1)과 소정각도를 두어 형성되는 축(x2)를 따라 직선형으로 배치될 수 있다. 이때 경사면은 제1 차폐부(111), 감속재(112) 및 제2 차폐부(113)의 경계에 형성될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 제5 실시예인 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치의 단면도이다.
도 9를 참조하면, 제5 실시예는 도 2에서의 감속재(112)의 구성과 유사하게 3개의 영역(S1, S2, S3)으로 구분되어 구비될 수 있다. 한편 제1 차폐부(111) 및 제2 차폐부(113)는 서로 평행하되, 전후방향의 축(x1)과 직교하지 않는 방향으로 구비될 수 있다. 이때 빔 성형 모듈(100)은 5개의 축(x2, x3, x4, x5, x6)을 따라 경로가 조절되면서 구비될 수 있다. 이때 경사면은 제1 차폐부(111), 제2 차폐부(113) 및 감속재(112) 중 제2 영역(S2)의 경계에 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 제6 실시예인 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치의 단면도이다.
제6 실시예는 전술한 실시예들과 달리 제1 차폐부(111)와 제2 차폐부(113)가 서로 평행하지 않은 상태로 배치될 수 있다. 또한 빔 성형 장치는 전체적으로 사다리꼴의 형태로 형성될 수 있다.
본 실시예에서 제1 차폐부(111)는 전후방향의 축(x1)과 경사를 둔 축(x2)를 따라 배치되며, 감속재(112)는 3개의 축을 따라 부분별로 연장될 수 있다. 이때 감속재(112)는 제3 실시예에서 3개의 영역(S1, S2, S3)으로 구분되었을 때와 유사하게 구성될 수 있다. 또한 제3 실시예에서와 달리 제1 차폐부(111)는 전후 방향의 축(x1)으로부터 도 10 상에서 시계방향으로 각도가 조절되어 배치되며, 제2 차폐부(113)는 전후방향의 축(x1)으로부터 반시계 방향으로 각도가 조절되어 배치될 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치는 빔 성형 장치의 경로를 미로와 같이 변화를 주고 반사면의 각도 또한 전후 방향의 축으로부터 다양한 각도를 두어 구비하여 중성자 플럭스는 유지하고 감마선 플럭스를 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 중성자의 이동방향을 따라 구비되며, 감마선 및 속중성자 플럭스를 감소시키고 열외 중성자 플럭스의 감소를 최소화 할 수 있도록 구성되는 중성자 빔 성형 모듈; 및
    상기 중성자 빔 성형 모듈의 둘레를 감싸며 구비되는 반사체를 포함하며,
    상기 중성자 빔 성형 모듈은 전방으로부터 후방에 이르는 축을 따라 구비되되, 적어도 일부가 상기 축과 상이한 경로를 따라 구비되는 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 중성자 빔 성형 모듈은,
    상기 속중성자를 차폐할 수 있도록 구성되며, 중성자 발생용 타겟에 인접하여 배치되는 제1 차폐부;
    상기 제1 차폐부의 후단에 구비되며, 중성자의 에너지를 감소시킬 수 있도록 구성되는 감속재; 및
    상기 감속재의 후단에 구비되며, 열중성자 및 감마선을 차폐할 수 있도록 구성되는 제2 차폐부를 포함하는 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 경사면은 상기 제1 차폐부, 상기 감속재 및 상기 제2 차폐부 중 적어도 하나의 경계에 형성되는 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 중성자 빔 성형 모듈의 좌우측에 구비된 상기 반사면은 서로 비대칭으로 구비되는 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 경사면은,
    상기 감속재와 상기 반사체의 경계면에 형성되며,
    적어도 두 개의 서로 다른 각도를 갖는 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 서로 다른 두개의 경사면은 상기 입자빔의 이동방향과 평행한 평면으로부터 양의각 및 음의각을 두어 배치되는 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 감속재와 상기 반사체의 경계면은 상기 입자빔의 조사 방향과 평행한 각도로 구비되는 반사면을 포함하는 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 차폐부와 상기 제2 차폐부는 서로 평행하게 구비되는 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 차폐부와 상기 제2 차폐부의 중심은 상기 입자빔의 조사 경로상에 위치되는 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 차폐부와 상기 제2 차폐부의 중심은 상기 입자빔의 조사경로와 상이한 지점에 위치되는 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치.
  11. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 차폐부와 상기 제2 차폐부는 서로 다른 각도로 구비되는 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치.
  12. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 차폐제는 상기 입자빔의 조사방향과 직교하지 않도록 배치되는 중성자 포획치료를 위한 미로형 중성자 빔성형 장치.
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