KR102538226B1 - 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치 및 이를 포함하는 붕소 중성자 포획치료장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 중성자 빔의 이동경로상에 형성되는 공간을 포함하는 차폐하우징, 차폐하우징의 전방에, 가속기를 통과한 입자빔이 조사되도록 구성되는 타겟, 차폐하우징의 후방에 구비되며, 중성자빔의 통과영역을 조절할 수 있도록 구성되는 콜리메이터 및 공간에 삽입될 수 있도록 구성되며, 중성자빔의 에너지를 감소시킬 수 있도록 구성되는 복수의 필터 모듈을 포함하며, 복수의 필터 모듈은 사용자의 선택에 따라 개수가 선택되어 하우징 내에 삽입될 수 있도록 구성되는 붕소중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치 및 이를 포함하는 붕소중성자 포획치료장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치 및 이를 포함하는 붕소 중성자 포획치료장치는 중성자 발생 전 사용자가 미리 필터 모듈의 개수를 선택하여 배치하여 열외 중성자의 확보를 극대화활 수 있으므로, 붕소 중성자 포획치료시 치료효과를 향상시킬 수 있고, 부작용을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치 및 이를 포함하는 붕소 중성자 포획치료장치는 중성자 발생 전 사용자가 미리 필터 모듈의 개수를 선택하여 배치하여 열외 중성자의 확보를 극대화활 수 있으므로, 붕소 중성자 포획치료시 치료효과를 향상시킬 수 있고, 부작용을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치 및 이를 포함하는 붕소 중성자 포획치료장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 중성자의 에너지를 선택적으로 조절가능하게 구성된 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치 및 이를 포함하는 붕소 중성자 포획치료장치에 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. 그러나 이러한 종래기술은 임상적으로 치료 효과가 뛰어난 0.5eV 내지 30keV의 에너지를 갖는 열외 중성자 확보에 효율적이지 못한 문제점이 있었다.
본 발명은 종래의 붕소 중성자 포획치료의 문제점인 열외 중성자의 확보를 극대화할 수 있는 빔 성형장치 및 이를 포함하는 붕소 중성자 포획치료장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기 과제의 해결 수단으로서, 중성자 빔의 이동경로상에 형성되는 공간을 포함하는 차폐하우징, 차폐하우징의 전방에, 가속기를 통과한 입자빔이 조사되도록 구성되는 타겟, 차폐하우징의 후방에 구비되며, 중성자 빔의 통과영역을 조절할 수 있도록 구성되는 콜리메이터 및 공간에 삽입될 수 있도록 구성되며, 중성자 빔의 에너지를 감소시킬 수 있도록 구성되는 복수의 필터 모듈을 포함하며, 복수의 필터 모듈은 사용자의 선택에 따라 개수가 선택되어 하우징 내에 삽입될 수 있도록 구성되는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치가 제공될 수 있다.
한편, 필터 모듈은 중성자 빔이 통과하는 방향과 직교하는 방향으로 배치되며, 복수의 필터 모듈은, 중성자 빔이 통과하는 방향을 따라 배치되도록 구성되며, 서로 평행하게 배치될 수 있다.
또한, 필터 모듈 각각은 감속재 및 속 중성자 필터를 포함하며, 감속재 및 속 중성자 필터는 중성자 빔의 진행경로를 따라 서로 교차되도록 구성될 수 있다.
또한, 필터 모듈은 판형으로 구성될 수 있다.
한편, 감속재는 판형으로 구성되며, 속 중성자 필터는 감속재를 감싸도록 구성될 수 있다.
차폐하우징에 삽입되는 필터 모듈의 개수는, 콜리메이터를 통과하는 중성가 0.5 eV 내지 30keV 내의 에너지를 갖도록 선택될 수 있다.
한편, 감속재는 AlF3를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 속 중성자 필터는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
한편, 차폐하우징의 일측에 구비되며, 필터 모듈을 공간에 삽입할 수 있도록 개폐가능하게 구성되는 도어를 더 포함할 수 있다.
한편, 도어 및 차폐하우징은, 내부에서 발생한 중성자를 차폐할 수 있도록 서로 밀착되는 부분에 단차가 형성될 수 있다.
한편, 하우징은 공간측에 중상자 빔이 통과하는 방향과 직교하는 방향으로 구비되는 가이드를 포함하며, 필터 모듈은 가이드를 따라 공간 내로 삽입되도록 구성될 수 있다.
또한, 필터 모듈과 가이드가 접촉하는 부분에는 단차가 형성될 수 있다.
한편, 타겟은 외부에 고정설치되며, 차폐하우징은 타겟과 상대적으로 이동할 수 있도록 구성될 수 있다.
나아가, 차폐하우징은 전후방으로 직선이동될 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 타겟의 적어도 일부는 차폐하우징의 내측으로 진입할 수 있도록 구성되며, 공간에 삽입된 필터 모듈의 개수에 따라 차폐하우징의 수평이동거리가 조절되어 타겟이 차폐하우징 내부로 진입되는 거리가 결정될 수 있다.
한편, 차폐하우징의 위치는, 타겟의 단부는 공간에 삽입된 복수의 필터 모듈 중 최전방의 필터 모듈과 접촉될 수 있도록 이동되어 결정될 수 있다.
또한, 차폐하우징은 환자를 지지할 수 있도록 구성되는 외부의 치료테이블과 함께 이동될 수 있도록 구성될 수 있다.
추가로, 입자빔을 가속할 수 있도록 구성되는 가속기, 가속기에서 가속된 임자빔이 조사되어 중성자를 발생시킬 수 있도록 구성되는 타겟, 중성자의 특성을 변화시킬 수 있도록 구성되는 빔 성형장치 및 빔 성형장치를 통과한 중성자가 조사되는 위치에 환자가 위치될 수 있도록 환자를 지지하는 치료테이블을 포함하며, 빔 성형장치는, 중성자 빔의 이동경로상에 형성되는 공간을 포함하는 차폐하우징, 차폐하우징의 후방에 구비되며, 중성자 빔의 통과영역을 조절할 수 있도록 구성되는 콜리메이터 및 공간에 삽입될 수 있도록 구성되며, 중성자 빔의 에너지를 감소시킬 수 있도록 구성되는 복수의 필터 모듈을 포함하며, 복수의 필터 모듈은 사용자의 선택에 따라 개수가 선택되어 하우징 내에 삽입될 수 있도록 구성되는 붕소 중성자 포획치료장치가 제공될 수 있다.
한편, 필터 모듈은 중성자 빔이 통과하는 방향과 직교하는 방향으로 배치되며, 복수의 필터 모듈은, 중성자 빔이 통과하는 방향을 따라 배치되도록 구성되며, 서로 평행하게 배치될 수 있다.
한편, 필터 모듈 각각은 감속재 및 속 중성자 필터를 포함하며, 감속재 및 속 중성자 필터는 중성자 빔의 진행경로를 따라 서로 교차될 수 있다.
본 발명에 따른 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치 및 이를 포함하는 붕소 중성자 포획치료장치는 중성자 발생 전 사용자가 미리 필터 모듈의 개수를 선택하여 배치하여 열외 중성자의 확보를 극대화활 수 있으므로, 붕소 중성자 포획치료시 치료효과를 향상시킬 수 있고, 부작용을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 붕소 중성자 포획치료장치의 개념도이다.
도 2는 붕소 중성자 포획치료의 개념을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 붕소 중성자 포획치료장치의 빔 성형장치에 대한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예인 붕소 중성자 포획치료장치의 사시도이다.
도 5는 빔 성형장치의 사시도이다.
도 6은 빔 성형장치에서 도어를 제거한 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 필터 모듈의 사시도이다.
도 8은 필터 모듈의 단면도이다.
도 9는 필터 모듈의 변형예이다.
도 10은 빔 성형장치의 사용상태도이다.
도 11은 빔 성형장치의 다른 사용상태도이다.
도 12는 본 발명에 따른 중성자 포획치료장치의 사용상태도이다.
도 13은 본 발명에 따라 필터 모듈을 구성하였을 때 종래의 구성과의 중성자비율 대비한 그래프이다.
도 14는 필터 모듈을 37개로 구성했을 때와 단일 빔 성형장치로 구성했을 때의 각각에서 열외 중성자 비율을 도시한 그래프이다.
도 2는 붕소 중성자 포획치료의 개념을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 붕소 중성자 포획치료장치의 빔 성형장치에 대한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예인 붕소 중성자 포획치료장치의 사시도이다.
도 5는 빔 성형장치의 사시도이다.
도 6은 빔 성형장치에서 도어를 제거한 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 필터 모듈의 사시도이다.
도 8은 필터 모듈의 단면도이다.
도 9는 필터 모듈의 변형예이다.
도 10은 빔 성형장치의 사용상태도이다.
도 11은 빔 성형장치의 다른 사용상태도이다.
도 12는 본 발명에 따른 중성자 포획치료장치의 사용상태도이다.
도 13은 본 발명에 따라 필터 모듈을 구성하였을 때 종래의 구성과의 중성자비율 대비한 그래프이다.
도 14는 필터 모듈을 37개로 구성했을 때와 단일 빔 성형장치로 구성했을 때의 각각에서 열외 중성자 비율을 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치 및 이를 포함하는 붕소 중성자 포획치료장치에 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 성형장치가 가속기를 바라보는 방향을 뜻하며, 후방은 중성자가 최종적으로 도달하는 환자를 바라보는 방향으로 정의하고 설명하도록 한다. 상기 기술한 방향에 의하면 중성자는 전방측에서부터 빔 성형장치로 조사되며, 빔 성형장치를 통과하여 후방으로 빠져나가게 된다.
이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 종래기술인 붕소 중성자 포획치료 장치 및 치료 원리에 대하여 설명하도록 한다.
도 1은 종래의 붕소 중성자 포획치료장치의 개념도이다.
도시된 바와 같이 종래의 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 내놓는 타겟(200)을 포함하여 구성된다.
타겟(200)에서 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 성형장치(3)가 구분된다.
빔 성형장치(3)를 통과한 중성자 빔은 콜리메이터(400)에 의해 원하는 영역을 통과하도록 구성되며, 최종적으로 환자(P)의 환부에 조사되어 핵반응이 이루어진다.
도 2는 붕소 중성자 포획치료의 개념을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 환자(P)의 환부로 조사된 중성자가 암세포에 누적되어 있는 붕소와 핵반응이 이루어지면서 암세포를 파괴하며, 정상세포에서는 붕소가 누적되어 있지 않아 중성자에 의한 의미있는 핵반응이 나타나지 않게 된다.
도 3은 종래의 붕소 중성자 포획치료장치의 빔 성형장치(3)에 대한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 종래의 빔 성형장치(3)에는 타겟(200)에서부터 발생된 중성자와 감마선(γ)이 발생할 때 전방측에 배치된 타겟(200), 일 예로서, 빔 성형장치(3) 내에서 전방측에 치우쳐 구비되는 타겟(200)으로부터 중성자가 발생된다. 이때 후방측으로 다양한 각도로 중성자가 이동하게 된다. 이후 빔 성형장치(3) 내에서 먼저 속 중성자 필터(510)를 통과한 뒤 감속재(520)를 통과하여 최종적으로 콜리메이터(400)를 통과하게 된다. 이와 같이 종래의 빔 성형장치(3)는 하나의 덩어리로 되어 있는 속 중성자 필터(510)와 다른 하나의 덩어리로 구성된 감속재(520)를 포함하여 구성된다.
이하에서는 도 4 내지 도 14를 참조하여 본 발명에 따른 붕소 중성자 포획치료 장치에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예인 붕소 중성자 포획치료장치의 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 붕소 중성자 포획치료장치는 가속기, 타겟(200), 빔 성형장치(3) 및 치료 테이블을 포함하여 구성될 수 있다.
가속기는 입자빔을 가속할 수 있도록 구성되며, 일 예로 선형 입자 가속기(linear accelerator)가 사용될 수 있다. 정전형가속기(2)에는 입자빔의 가속시에 다른 원자에 의해 받는 영향을 최소화할 수 있도록 내부에는 진공이 형성되어 있다. 다만 이는 널리 사용되는 구성이므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.
타겟(200)은 입자빔이 조사되며, 조사된 이후 중성자를 포함한 방사선들이 방출될 수 있다. 중성자를 발생하기 위한 타겟(200)의 일 예로서, 베릴륨을 포함한 타겟(200)이 구비될 수 있다. 타겟(200)은 일측에는 전술한 입자가속기(1)와 연결되어 진공분위기가 형성되며, 타측은 공기중에 노출될 수 있다. 타측은 후술할 필터 모듈(500)측에 밀착되어 발생한 중성자 손실을 최소화할 수 있도록 구성된다.
빔 성형장치(3)는 타겟(200)에서 발생된 중성자의 에너지를 조절할 수 있도록 구성된다. 빔 성형장치(3)는 타겟(200)의 후방에 구비되며, 타겟(200)으로부터 발생한 중성자의 에너지를 감소시킬 수 있도록 구성되며, 또한 환자(P)의 환부 이외에 중성자가 조사되는 것을 방지할 수 있도록 중성자 이동 경로의 주변을 둘러싸는 차폐하우징(100)이 구비될 수 있다. 빔 성형장치(3) 내부에는 복수의 필터 모듈(500)이 구비되며, 후방측에는 콜리메이터(400)가 구비될 수 있다.
복수의 필터 모듈(500)은 중성자의 에너지를 감소시키게 된다. 한편, 빔 성형장치(3)는 수평상의 위치가 조절될 수 있도록 구성될 수 있다. 빔 성형장치(3)는 후술할 필터 모듈(500)의 개수에 따라 수평상의 위치가 조절될 수 있다. 이를 이하여 빔 성형장치(3)는 하측의 프레임과 슬라이딩 가능하게 연결될 수 있다. 이에 대하여는 차후 상세히 설명하도록 한다.
콜리메이터(400)는 빔 성형장치(3)에서 중성자가 이동하는 경로상에서 중성자 빔이 조사되는 영역을 결정할 수 있도록 구성된다. 콜리메이터(400)는 미리 결정된 암 조직과 정상 조직이 위치하는 영역에 따라 개방된 영역의 형상 및 크기를 조절하여 정상조직에 방사선 노출을 최소화시킨다. 한편, 이러한 콜리메이터(400)는 다엽(muli-leaf) 형상으로 구성되는 콜리메이터(400)와 같이 종래의 다양한 구성으로 적용될 수 있으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.
치료테이블(4)은 환자(P)를 지지할 수 있도록 구성되며, 치료를 받는동안 환자(P)의 위치를 안정적으로 고정할 수 있도록 구성될 수 있다. 치료테이블(4)은 중성자 빔이 조사되는 방향이 고정되어 있어, 이로부터 상대적으로 환자(P)의 위치를 이동하여 중성자 빔이 환자(P)의 병변부위에 조사될 수 있도록 위치가 조절될 수 있다. 또한 치료테이블(4)은 최적의 치료효과를 발휘할 수 있도록 빔 성형장치(3)와의 거리가 조절될 수 있다. 한편, 전술한 빔 성형장치(3)가 타겟(200)과의 상대적인 위치가 조절됨에 따라 치료 테이블 또한 타겟(200)과의 상대적인 위치가 조절될 수 있다. 이에 대하여는 차후 상세히 설명하도록 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 다른 실시예인 빔 성형장치(3)의 구성 및 기능에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 5는 빔 성형장치(3)의 사시도이며, 도 6은 빔 성형장치에서 도어를 제거한 상태를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 빔 성형장치(3)는 전방측에서 타겟(200)이 내부에 삽입될 수 있도록 구성되며, 중성자가 통과하는 경로상에 복수의 필터 모듈(500)이 구비되어 중성자 빔의 에너지를 조절할 수 있도록 구성된다. 또한 복수의 필터 모듈(500)을 통과한 중성자 빔의 조사 영역을 조절할 수 있도록 콜리메이터(400)가 구비될 수 있다.
빔 성형장치(3)는 차폐하우징(100), 도어(120) 및 복수의 필터 모듈(500)을 포함할 수 있다.
차폐하우징(100)은 중성자 빔의 경로의 주변을 감싸는 형태로 구성될 수 있으며, 내부에서 발생하는 중성자 및 중성자가 필터와 반응하면서 발생하는 감마선 등의 방사선이 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있도록 구성된다. 차폐하우징(100)은 방사선을 차폐할 수 있도록 차폐율이 높은 재질로 구성될 수 있다. 차폐 하우징은 철(Fe) 및 납(Pb) 중 적어도 하나의 물질을 포함하여 구성될 수 있다.
차폐하우징(100)은 내측에 복수의 필터 모듈(500)이 배치(또는 삽입)될 수 있도록 구성되는 공간(110)이 구비될 수 있다. 공간(110)은 중성자 빔의 진행방향을 따라, 즉 전후방 방향을 따라 형성될 수 있으며, 후술할 필터 모듈(500)의 형상에 대응하여 구성될 수 있다. 일 예로 공간(110)은 전후방 방향으로 연장된 육면체 형상으로 구성될 수 있다. 공간(110)의 전방측은 타겟(200)이 차폐하우징(100)에 진입할 수 있도록 구성된 개구와 연통되며, 후방측은 콜리메이터(400)의 개구와 연통될 수 있다. 차폐하우징(100)의 공간(110)측에 노출된 내면에는 반사체가 구비될 수 있다. 반사체는 중성자 ㅂㄴ사에 의한 최대 열외 중성자량을 확보하도록 구성될 수 있다. 반사체는 일 예로서 납을 포함하여 구성될 수 있으며, 이때 11.4 g/cm3의 밀도를 갖도록 구성될 수 있다.
도어(120)는 차폐하우징(100)의 일측면으로서, 개방시와 폐쇄시의 위치로 전환될 수 있도록 구성될 수 있다. 도어(120)는 개방된 상태에서 필터 모듈(500)을 공간(110) 내에 적재하거나, 공간(110)으로부터 제거하기 위한 진입로가 돌 수 있다. 도어(120)는 일 예로서, 차폐하우징(100)의 옆면이 될 수 있으며, 도어(120)는 전후 방향으로 슬라이딩 되면서 개방위치와 폐쇄위치 사이를 왕복할 수 있도록 구성될 수 있다. 도어(120)는 공간(110)을 바라보는 방향을 따라 하나 이상의 단차가 형성될 수 있다. 또한 차폐하우징(100)에서 도어(120)의 폐쇄위치시 도어(120)와 밀착되는 부분에는 도어(120)의 단차에 대응하여 하나 이상의 단차가 형성될 수 있다. 따라서 다양한 각도로 방사되는 방사선 또는 중성가 도어(120)와 차폐하우징(100)의 밀착면으로 누출되는 것을 방지할 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 차폐하우징(100) 내에는 복수의 필터 모듈(500)이 전후방향과 직교하는 방향으로 설치 또는 제거할 수 있도록 가이드(130)가 구비될 수 있다. 가이드(130) 홈은 공간(110) 내에서 서로 대면하는 두 개의 면에 형성되어 안정적으로 필터 모듈(500)을 가이드(130)하고 고정할 수 있다. 가이드(130)는 각각의 필터 모듈(500)의 설치 위치가 고정될 수 있도록 복수로 구성되며, 전후방 방향으로 소정거리로 이격되어 구비될 수 있다. 한편 가이드(130) 사이의 이격거리는 필터 모듈(500)의 두께에 대응하여 형성될 수 있다. 따라서 가이드(130)를 따라 필터 모듈(500)을 적재하면 인접하는 필터 모듈(500)은 서로 밀착되어 배치될 수 있다.
가이드(130)는 차폐하우징(100) 내에 공간(110)측에 형성된 내면에 직선상으로 형성된 홈으로 구성될 수 있다. 가이드(130)는 하나 이상의 단차를 두어 형성된 홈으로 구성될 수 있으며, 일 예로서 2단 홈으로 구성될 수 있다.
한편, 필터 모듈(500)에는 가이드(130) 홈의 형상에 대응하여 양측에 각각 하나 이상의 단차가 구비될 수 있다. 필터 모듈(500)의 단차는 가이드(130)의 단차에 대응하여 형성되므로, 필터 모듈(500)을 차폐하우징(100) 내에 배치하였을 때 단차가 형성되어 중성자 및 방사선의 유출을 최소화할 수 있게 된다.
한편, 중성자의 이동경로상에 열 중성자 필터(310)와 감마 필터(320)가 추가로 구비될 수 있다. 열 중성자 필터(310)는 에너지 1 eV 내지 6 eV 의 열 중성자가 통과하는 것을 방지할 수 있도록 구성될 수 있다. 일 예로서, 열 중성자 필터(310)는 카드퓸을 포함하여 구성될 수 있으며, 8.65 g/cm3 의 밀도를 갖도록 구성될 수 있다. 한편, 감마 필터(320)는 중성자의 필터링 또는 감속시에 발생하는 감마선이 콜리메이터(400)(400) 측으로 유출되는 것을 방지할 수 있도록 구성될 수 있다. 감마 필터(320)는 일예로서 비스무스를 포함하여 구성될 수 있으며, 9.75 g/cm3의 밀도를 갖도록 구성될 수 있다.
이하에서는 도 7 내지 도 9를 참조하여 필터 모듈(500)의 구성에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 7은 필터 모듈(500)의 사시도이며, 도 8은 필터 모듈(500)의 단면도이다.
도시된 바와 같이, 필터 모듈(500)은 속 중성자 필터(510)와 감속재(520)를 포함하여 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 고 에너지의 중성자는 치료시 부작용을 야기할 수 있으므로 열외 중성자 영역으로 특성을 변화시키는 것이 필요하다. 따라서 필터 모듈(500)은 복수개가 구비되어 중성자 빔이 속 중성자 필터(510), 감속재(520)를 교차하여 통과하면서 특성이 변화될 수 있도록 구성된다.
속 중성자 필터(510)와 감속재(520)는 판형으로 구성되며, 두께 방향으로 서로 밀착되어, 또는 부착되어 형성된다. 도 7에는 중성자가 먼저 속 중성자 필터(510)를 통과한 뒤 감속재(520)를 통과하도록 방향이 설정되어 있다. 또한 일 예로서, 전술한 단차는 감속재(520)에 형성될 수 있다.
속 중성자 필터(510)는 중성자가 속 중성자 필터(510)를 통과하면서 고에너지를 갖는 중성자의 일부가 저에너지를 갖는 중성자로 전환된다. 이후 중성자는 감속재(520)를 통과하면서 열외 중성자 영역의 에너지를 갖도록 감속된다. 속 중성자 필터(510)는 일 예로서, 철 또는 알루미늄을 포함하여 구성될 수 있으며, 9.75 g/cm3 의 밀도를 갖도록 구성될 수 있다.
속 중성자 필터(510)는 감속재(520)보다 얇은 두께로 형성될 수 있다. 일예로서, 필터 모듈(500)은 20mm 로 구성될 경우, 속 중성자 필터(510)는 절반이하인 7mm 가 될 수 있으며, 감속재(520)는 13mm 가 될 수 있다. 따라서 본 발명의 속 중성자 필터(510)와 감속재(520)의 두께를 각각 합하여 비교하는 경우, 종래의 붕소 중성자 포획치료장치에서 사용되는 빔 성형장치(3)에서 속 중성자 필터(510)와 감속재(520)의 두께 비율과 유사하게 구성될 수 있다.
감속재(520)는 통과하는 중성자의 열외 중성자 영역으로 감속시킬 수 있도록 구성된다. 감속재(520)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. 감속재(520)는 일 예로, AlF3을 포함하여 구성될 수 있으며, 2.88 g/cm3의 밀도를 갖도록 구성될 수 있다.
다시 도 8을 참조하면, 필터 모듈(500)은 상측과 하측에 서로 평행한 방향으로 하나 이상의 단차를 포함하는 돌출부(530)가 구비될 수 있다. 일 예로서, 돌출부(530)의 단차는 2단계로 구성될 수 있으며, 전술한 차폐하우징(100)의 가이드(130)에 대응하는 폭 및 높이로 구성될 수 있다. 한편, 돌출부(530)의 중심은 필터 모듈(500)의 두께 방향에서 중심부분에 배치되도록 구성될 수 있다. 돌출부(530)가 두께 방향에서 필터 모듈(500)의 중심부분에 배치되는 경우 안정적으로 필터 모듈(500)을 지지하고 가이드(130)할 수 있게 된다. 한편, 본 실시예에서는 두께가 속 중성자 필터(510)보다 두꺼운 감속재(520)에 돌출부(530)가 구비될 수 있다.
도 9는 필터 모듈(500)의 변형예이다. 도 9를 참조하면, 중성자 빔의 이동경로상에 속 중성자 필터(510)와 감속재(520)가 교차하도록 구성되며, 변형예로서, 필터 모듈(500)의 중심부분에 속 중성자 필터(510)가 구비되고, 속 중성자 필터(510)가 감속재(520)를 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 이는 상대적으로 경도가 낮은 감속재(520)를 상대적으로 경도가 높은 속 중성자 필터(510)으로 감싸 내구성을 높이기 위함이다. 다만, 일 예일 뿐, 하나의 필터 모듈(500)에서 속 중성자 필터(510)와 감속재(520)가 복수회 교대하여 배치되는 구성으로 변형될 수 있다.
이하에서는 도 10 및 도 12를 참조하여 설치된 필터 모듈(500)의 개수별로 조절되는 차폐하우징(100) 및 치료테이블(4)의 위치조절에 대하여 설명하도록 한다.
도 10은 빔 성형장치(3)의 사용상태도이며, 도 11은 빔 성형장치(3)의 다른 사용상태도이다.
도 10을 참조하면, 필터 모듈(500)이 차폐하우징(100)에 모두 적재되어 있는 상태에서는 타겟(200)이 최전방의 필터 모듈(500)에 밀착되어 배치될 수 있다. 이때 선택되는 필터 모듈(500)은 빔 성형장치(3)를 통과한 중성자, 즉 콜리메이터(400)를 통과하는 중성자의 에너지가 0.5 eV 내지 30keV 내에 해당될 수 있는 개수 중에서 선택될 수 있다.
한편, 도 11을 참조하면, 필터 모듈(500)의 개수가 조절된 경우, 즉 도 10에 도시된 상태보다 설치된 개수가 줄어든 경우 중성자 빔이 차폐하우징(100) 내에서 공기중에 노출되는 것을 최소화 할 수 있도록 타겟(200)의 단부와 최전방에 배치된 필터 모듈(500)이 서로 밀착될 수 있다. 이때 타겟(200)은 가속기와 고정되어 설치되므로 차폐하우징(100)을 이동시켜 타겟(200)과 최전방 필터 모듈(500)간의 거리를 조절하게 된다. 도 11에서는 차폐하우징(100)을 전방측으로 이동시켜 타겟(200)과 최전방 필터 모듈(500)을 밀착시키게 된다.
도 12는 본 발명에 따른 중성자 포획치료장치의 사용상태도이다.
도 12를 참조하면, 중성자 빔의 에너지를 증가시켜야 하는 경우 필터 모듈(500)을 일부 제거하고 사용하는 상태가 도시되어 있다. 이 경우 전술한 바와 같이 줄어든 필터 모듈(500)의 개수에 대응한 거리만큼 차폐하우징(100)과 치료테이블(4)을 함께 전방으로 이동시킨다. 따라서 설치되는 필터 모듈(500)의 개수와 무관하게 중성자 빔이 공기중에 통과하는 거리를 일정하게 유지할 수 있게 된다.
이하에서는 도 13 및 도 14를 참조하여, 본 발명에 따른 열외 중성자 비율의 증가에 대한 기능에 대하여 설명하도록 한다.
도 13은 본 발명에 따라 필터 모듈(500)을 구성하였을 때 종래의 구성과의 중성자비율 대비한 그래프이다.
도 13을 참조하면, 본 발명에 따라 필터 모듈(500)을 1 개 내지 40개로 구성하였을 때 시뮬레이션을 수행하고, 속중성자(fast neutron), 열외 중성자(Epithermal neutron) 및 열 중성자(Thermal neutron)의 normalized 수치를 나타내었다. 본 도면에서는 빔 성형장치(3)에서 중성자가 통과하는 거리는 동일하되, 필터 모듈(500)의 개수는 속 중성자 필터(510)와 감속재(520)가 교대로 배치된 횟수를 의미한다. 한편, normalized 수치는 종래기술과 대비하기 위하여 속 중성자 필터(510)와 감속재(520)가 하나씩 구성될 때 발생되는 값을 기준으로한 비율을 뜻한다.
다시 도 13을 참조하면, 필터 모듈(500) 개수는 1개에서 10개로 분할될때까지 속중성자와 열 중성자의 normalized 값은 의미있게 감소하였으며, 또한 열외 중성자의 normalized값이 의미있게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경향은 필터 모듈(500)의 개수를 39개까지 증가시킬때까지 유사하게 진행된다.
도 14는 필터 모듈(500)을 37개로 구성했을 때와 단일 빔 성형장치(3)로 구성했을 때의 각각에서 열외 중성자 비율을 도시한 그래프이다.
도 14를 참조하면, 에너지에 따른 중성자의 비율이 도시되어 있으며, 표시된 열외 중성자 영역을 살펴보면 종래의 단순 블록형에 비해 모듈형으로 구성하였을 때 차이를 확인할 수 있다. 전술한 바와 같이 빔 성형장치(3)는 열외 중성자를 증가시키는 것이 바람직하며, 본 발명에 따라 37개의 필터 모듈(500)이 구비되었을 때 종래의 단일 블록형 빔 성형장치(3)보다 약 25%의 열외 중성자의 비율이 높아짐을 확인할 수 있다.
도 13 및 도 14의 시뮬레이션 결과를 분석해보면, 본 발명에 따른 복수의 필터 모듈(500)이 구비된 경우 중성자가 속 중성자 필터(510)와 감속재(520)가 교대로 복수회 통과하게 된다. 따라서 중성자의 특성변환은 속중성자에너지의 감소 후 열외 중성자 영역의 증가가 이루어지며, 후에 반복적으로 속중성자 에너지의 감소 및 열외 중성자 영역의 증가로 이어지게 된다.
그러나, 종래의 빔 성형장치(3)는 속 중성자 필터(510)를 통과한 이후 감소재를 한번씩 통과하게 되므로 본 발명의 빔 성형장치(3)와 달리 열외 중성자영역이 크게 증가하지 못하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치 및 이를 포함하는 붕소 중성자 포획치료장치는 중성자 발생 전 사용자가 미리 필터 모듈의 개수를 선택하여 배치하여 열외 중성자의 확보를 극대화활 수 있으므로, 붕소 중성자 포획치료시 치료효과를 향상시킬 수 있고, 부작용을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
1: 입자가속기
2: 정전형가속기
3: 빔 성형장치
4: 치료테이블
P: 환자
100: 차폐하우징
110: 공간
120: 도어
130 :가이드
200: 타겟
310: 감마선필터
320: 열중성자 필터
400: 콜리메이터
500: 필터 모듈
510: 속 중성자 필터
520: 감속재
530: 돌출부
2: 정전형가속기
3: 빔 성형장치
4: 치료테이블
P: 환자
100: 차폐하우징
110: 공간
120: 도어
130 :가이드
200: 타겟
310: 감마선필터
320: 열중성자 필터
400: 콜리메이터
500: 필터 모듈
510: 속 중성자 필터
520: 감속재
530: 돌출부
Claims (20)
- 중성자 빔의 이동경로상에 형성되는 공간을 포함하는 차폐하우징;
상기 차폐하우징의 전방에, 가속기를 통과한 입자빔이 조사되도록 구성되는 타겟;
상기 차폐하우징의 후방에 구비되며, 중성자 빔의 통과영역을 조절할 수 있도록 구성되는 콜리메이터; 및
상기 공간에 삽입될 수 있도록 구성되며, 상기 중성자 빔의 에너지를 감소시킬 수 있도록 구성되는 복수의 필터 모듈을 포함하며,
상기 복수의 필터 모듈은 사용자의 선택에 따라 개수가 선택되어 상기 차폐하우징 내에 삽입될 수 있도록 구성되며,
상기 타겟의 적어도 일부는 상기 차폐하우징의 내측으로 진입할 수 있도록 구성되며,
상기 공간에 삽입된 상기 필터 모듈의 개수에 따라 상기 차폐하우징의 수평이동거리가 조절되어 상기 타겟이 상기 차폐하우징 내부로 진입되는 거리가 결정되는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 제1 항에 있어서,
상기 필터 모듈은 상기 중성자 빔이 통과하는 방향과 직교하는 방향으로 배치되며,
상기 복수의 필터 모듈은,
상기 중성자 빔이 통과하는 방향을 따라 배치되도록 구성되며,
서로 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 제2 항에 있어서,
상기 필터 모듈 각각은 감속재 및 속 중성자 필터를 포함하며,
상기 감속재 및 상기 속 중성자 필터는 상기 중성자 빔의 진행경로를 따라 서로 교차되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 제3 항에 있어서,
상기 필터 모듈은 판형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 제4 항에 있어서,
상기 필터 모듈은,
상기 감속재가 판형으로 구성되며,
상기 속 중성자 필터는 상기 감속재를 감싸도록 구성되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 제5 항에 있어서,
상기 차폐하우징에 삽입되는 상기 필터 모듈의 개수는,
상기 콜리메이터를 통과하는 중성자가 0.5 eV 내지 30keV 내의 에너지를 갖도록 선택되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 제6 항에 있어서,
상기 감속재는 AlF3를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 제7 항에 있어서,
상기 속 중성자 필터는 알루미늄(Al)을 포함하는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 제3 항에 있어서,
상기 차폐하우징의 일측에 구비되며,
상기 필터 모듈을 상기 공간에 삽입할 수 있도록 개폐가능하게 구성되는 도어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 제9 항에 있어서,
상기 도어 및 상기 차폐하우징은,
외부로 중성자 및 감마선을 차폐할 수 있도록 서로 밀착되는 부분에 단차가 형성되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 제3 항에 있어서,
상기 차폐하우징은 상기 공간측에 상기 중성자 빔이 통과하는 방향과 직교하는 방향으로 구비되는 가이드를 포함하며,
상기 필터 모듈은 상기 가이드를 따라 상기 공간 내로 삽입되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 제11 항에 있어서,
상기 필터 모듈과 상기 가이드가 접촉하는 부분에는 단차가 형성되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 제3 항에 있어서,
상기 타겟은 외부에 고정설치되며,
상기 차폐하우징은 상기 타겟과 상대적으로 이동할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 제13 항에 있어서,
상기 차폐하우징은 전후방으로 직선이동될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 차폐하우징의 위치는,
상기 타겟의 단부는 상기 공간에 삽입된 복수의 필터 모듈 중 최전방의 필터 모듈과 접촉될 수 있도록 이동되어 결정되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 제16 항에 있어서,
상기 차폐하우징은 환자를 지지할 수 있도록 구성되는 외부의 치료테이블과 함께 이동될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료 장치용 빔 성형장치. - 입자빔을 가속할 수 있도록 구성되는 가속기,
상기 가속기에서 가속된 상기 입자빔이 조사되어 중성자를 발생시킬 수 있도록 구성되는 타겟,
상기 중성자의 특성을 변화시킬 수 있도록 구성되는 빔 성형장치; 및
상기 빔 성형장치를 통과한 중성자가 조사되는 위치에 환자가 위치될 수 있도록 환자를 지지하는 치료테이블을 포함하며,
상기 빔 성형장치는,
상기 중성자 빔의 이동경로상에 형성되는 공간을 포함하는 차폐하우징;
상기 차폐하우징의 후방에 구비되며, 중성자 빔의 통과영역을 조절할 수 있도록 구성되는 콜리메이터; 및
상기 공간에 삽입될 수 있도록 구성되며, 상기 중성자 빔의 에너지를 감소시킬 수 있도록 구성되는 복수의 필터 모듈을 포함하며,
상기 복수의 필터 모듈은 사용자의 선택에 따라 개수가 선택되어 상기 차폐하우징 내에 삽입될 수 있도록 구성되며,
상기 타겟의 적어도 일부는 상기 차폐하우징의 내측으로 진입할 수 있도록 구성되며,
상기 공간에 삽입된 상기 필터 모듈의 개수에 따라 상기 차폐하우징의 수평이동거리가 조절되어 상기 타겟이 상기 차폐하우징 내부로 진입되는 거리가 결정되는 붕소 중성자 포획치료장치. - 제18 항에 있어서,
상기 필터 모듈은 상기 중성자 빔이 통과하는 방향과 직교하는 방향으로 배치되며,
상기 복수의 필터 모듈은,
상기 중성자 빔이 통과하는 방향을 따라 배치되도록 구성되며,
서로 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료장치. - 제18 항에 있어서,
상기 필터 모듈 각각은 감속재 및 속 중성자 필터를 포함하며,
상기 감속재 및 상기 속 중성자 필터는 상기 중성자 빔의 진행경로를 따라 서로 교차되는 것을 특징으로 하는 붕소 중성자 포획치료장치.
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