KR20240106760A - 다공성 열외 중성자 콜리메이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 빔 성형장치의 말단에 구비되며, 중성자의 이동경로상에 구비되는 다공 열외 중성자 콜리메이터에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터는 다각형으로 빔 통과영역을 분할하여 열외 중성자의 균일도를 증가시킬 수 있으므로 붕소 중성자 포획 치료의 치료 효율을 개선할 수 있다.

Description

다공성 열외 중성자 콜리메이터{POROUS EPITHERMAL NEUTRON COLLIMATOR}

본 발명은 다공성 열외 중성자 콜리메이터에 관한 것이며, 보다 상세하게는 붕소 중성자 포획 치료(BNCT; BORON NEUTRON CAPTURE THERAPY)에 적용되며, 중성자의 균일도를 향상시킬 수 있는 콜리메이터에 관한 것이다.

붕소 중성자 포획치료는 미리 붕소를 포함한 물질을 주입하여 암세포에 붕소를 누적시킨 뒤 중성자를 조사하여 암세포 내에서 핵분열을 일으키고, 상기 암세포 내에서 중성자 포획 반응을 유도하고, 중성자 포획반응에 의해서 방출된 알파집자와 Li-7 입자를 이용하여 암세포를 사멸하는 방법이다. 붕소 중성자 포획치료 장치는 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 원치않는 정상조직에 대한 방사선량을 야기시킬 위험이 있으며, 또한 에너지가 낮은 열 중성자는 피부에 방사성 부작용을 야기킬 수 있다.

종래의 붕소 중성자 포획지료 장치와 관련하여 미국 등록특허 US10124192 호가 개시되어 있다. 그러나 이러한 종래기술은 열외 중성자의 균일도의 한계가 있어 치료 효과 또한 높일 수 없는 한계가 있었다.

미국 등록특허 US10124192 호

본 발명은 종래의 붕소 중성자 포획 치료에서 열외 중성자의 균일도(uniformity)를 높일 수 있는 다공 열외 중성자 콜리메이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제의 해결 수단으로서, 타겟으로부터 발생된 중성자의 빔 성형장치의 출구에 구비되며, 중성자의 통과영역을 목표 중성자 빔 경로와 평행한 방향으로 구획할 수 있도록 구성되는 복수의 격벽을 포함하는 다공 열외 중성자 콜리메이터가 제공될 수 있다.

이때, 목표 중성자 빔 경로는 타겟 중 입자빔이 조사되는 중심부분과 환자의 치료위치의 중심을 잇는 선일 수 있다.

한편, 복수의 격벽은 목표 중성자 빔 경로와 직교하는 평면상에 반복되는 패턴으로 구비될 수 있다.

또한, 복수의 격벽에 의해 구획된 개별영역은, 목표 중성자 빔 경로와 직교하는 단면상에서 다각형으로 형성될 수 있다.

한편, 격벽은 격벽에 의해 구획되는 공간에서 서로 대면하는 면들의 거리는 0.1 내지 0.5 cm로 구성될 수 있다.

한편, 복수의 격벽은 목표 중성자 빔 경로방향으로 0.1 내지 5 cm 의 길이로 결정될 수 있다.

한편, 복수의 격벽의 둘레에 구비되며, 외부의 빔 성형장치의 말단과 연결될 수 있도록 구성되는 고정부를 더 포함할 수 있다.

한편, 격벽은 알루미늄 및 철 중 적어도 하나의 재질을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 복수의 격벽은 허니컴을 구성할 수 있다.

본 발명에 따른 다공성 열외 중성자 콜리메이터는 타겟과 빔 성형장치의 구성을 변경하지 않으면서 열외 중성자의 균일도를 향상시킬 수 있으므로 중성자 포획 치료의 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 붕소 중성자 포획치료 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터가 빔 성형장치에 구비된 상태를 도시한 단면도이다.
도 4는 격벽부의 치수를 나타낸 도면이다.
도 5는 종래에 사용되었던 단순한 빔 성형장치를 이용할 때 중성자 빔의 균일도를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터의 격벽부의 두께를 다르게 구성하여 확대한 개념도이다.
도 7은 도 6에 도시된 각각의 경우에 따른 열외중성자 플럭스를 도시한 도면이다.
도 8은 도 6의 각각의 경우에 따른 열외중성자 및 속 중성자의 균일도(uniformity)를 계산한 그래프이다.
도 9는 격벽부가 알루미늄으로 구성될 때 격벽부의 높이(h)에 따른 열외 중성자 빔의 플럭스를 도시한 그래프이다.
도 10은 격벽부가 알루미늄으로 구성될 때 격벽부의 높이(h)에 따른 열외 중성자 및 속 중성자의 균일도를 도시한 그래프이다.
도 11은 격벽부가 철로 구성될 때 격벽부의 높이(h)에 따른 열외 중성자 빔의 플럭스를 도시한 그래프이다.
도 12는 격벽부가 철으로 구성될 때 격벽부의 높이(h)에 따른 열외 중성자 및 속 중성자의 균일도를 도시한 그래프이다.
도 13은 1차 콜리메이터의 개구 크기 및 격벽부의 재질에 따른 열외 중성자의 균일도를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터에 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.

도 1은 붕소 중성자 포획 치료 장치의 개념도이다.

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 붕소 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(4)가 구분된다.

빔 성형 장치(4)를 통과한 중성자 빔은 1차 콜리메이터에 의해 원하는 영역을 통과하도록 구성되며, 최종적으로 환자(5)의 환부에 조사되어 핵반응이 이루어진다. 이때 본 발명에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터(100)가 빔 성형장치(4)와 치료위치사이에 구비될 수 있다. 구체적으로 본 발명에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터(100)는 빔 성형장치(4)의 말단에 구비되어 열외 중성자의 균일도를 증가시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터의 사시도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터는 빔 성형장치를 통과한 중성자 빔의 조사영역을 구획할 수 있도록 구성된다. 구체적으로 다공 열외 중성자 콜리메이터(100)는 격벽부(110)에 의해 목표 중성자 빔 경로와 평행한 방향으로 개구를 복수로 분할하여 개별영역(112)을 정의할 수 있도록 구성될 수 있다. 여기서 목표 중성자 빔 경로는 타겟에 입자빔이 조사되는 중심부와 환자의 치료위치의 중심을 잇는 직선으로 정의될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터는 격벽부(110)와 고정부(120)를 포함할 수 있다.

복수의 격벽부(110)는 복수의 격벽(111)들을 포함하며, 목표 중성자 빔 경로와 평행하게 연장되어 구성될 수 있다. 격벽(111)들은 서로 결합되면서 반복적인 패턴을 형성할 수 있다. 격벽들의 패턴은 목표 중성자 빔 경로와 직교하는 방향의 평면상에서 다각형이 연속적으로 배치되는 형상일 수 있다. 다각형은 일예로 육각형이 될 수 있다. 즉 격벽에 의해 형성되는 형상은 소위 honeycomb 의 형상일 수 있다. 따라서 격벽(111)들에 의해 개구가 분할되며, 분할되는 개별영역(112)의 목표 중성자 빔 경로와 직교하는 평면상의 경계는 육각형으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터(100)는 고정부(120)를 더 포함할 수 있다. 고정부(120)는 격벽부(110)의 둘레에 구비되며, 빔 성형장치의 후방측 말단에 연결될 수 있도록 구성된다. 고정부(120)는 널리 알려진 외부의 구조물과 결합가능한 다양한 구성으로 적용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터가 빔 성형장치에 구비된 상태를 도시한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 다공 열외 중성자 콜리메이터(100)는 빔 성형장치(4)의 말단 출구의 내경보다 크게 형성될 수 있다. 즉 빔 성형장치 말단의 빔 출구의 크기보다 큰 면적에 복수의 패턴을 형성하여 구비될 수 있다. 한편, 1차 콜리메이터(10)가 빔 성형장치(4)의 출구측 개구의 크기를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다. 이때 다공 열외 중성자 콜리메이터(100)의 목표 중성자 빔 경로와 직교하는 방향의 면적은 1차 콜리메이터(10)의 최대 크기로 확장된 개구보다 크게 결정될 수 있다.

따라서 빔 성형장치(4)의 출구를 통과한 중성자들이 본 발명에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터(100)를 통과할 수 있게 된다. 고정부는 빔 성형장치의 출구와 목표 중성자 빔 경로상에 중첩되지 않는 위치에 구비될 수 있다. 일 예로서 고정부는 격벽부의 둘레방향의 외측에서 빔 성형장치와 연결될 수 있도록 구성된다.

타겟에서 발생되는 중성자들은 전방위적으로 발생하며, 실제 치료에 사용되는 중성자들은 타겟에서 환자위치를 향하여 이동하는 중성자들이다. 1차 콜리메이터를 통과하더라도 치료위치를 벗어나는 영역으로 이동하는 중성자들도 발생한다. 이러한 치료위치를 벗어나는 중성자들을 최소화시키고 열외 중성자의 균일도를 증가시키면 붕소 중성자 포획 치료의 치료 효율을 증가시킬 수 있다.

격벽부의 재질은 알루미늄(Al) 및/또는 철(Fe)을 포함하여 구성될 수 있다. 격벽부의 재질이 알루미늄 및/또는 철로 구성됨에 따라 목표 중성자 빔 경로와 평행하지 않는, 즉 각도를 이루어 진입하는 중성자들이 격벽에 의해 튕겨지면서 각도가 전환될 수 있다. 이러한 효과는 각각의 분할영역 내에서 나타나며, 격벽부를 통과한 중성자 빔에 대하여 열외 중성자 플럭스(epithermal neutron flux)를 증가시킬 수 있다.

도 4는 격벽부의 치수를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터는 격벽(111)의 구성에 따라 통과하는 열외 중성자의 플럭스 및 열외 중성자의 균일도에 영향을 미칠 수 있다.

격벽(111)의 치수는 격벽의 두께(t), 내부간격(d), 목표 중성자 경로를 따르는 높이(h)가 될 수 있다. 복수의 격벽(111)이 결합되는 경우 실질적으로 격벽(111)의 두께는 2t가 될 수 있다. 한편, 개별영역(112)의 크기, 즉 내부간격(d)은 인접하는 개별영역과 동일하게 구성될 수 있다.

도 5는 종래에 사용되었던 단순한 빔 성형장치를 이용할 때 중성자 빔의 균일도를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터가 적용되지 않은 상태에서 1차 콜리메이터의 직경이 5, 10, 15 및 20cm 인 경우 열외 중성자와 속 중성자의 분포를 영상화 한 결과와 균일도를 확인할 수 있다. 열외중성자의 균일도는 10cm일 때 최대 값을 가지나, 대체로 1차 콜리메이터의 직경이 커짐에 따라 낮아지는 경향을 나타낸다. 또한 열외 중성자의 균일도의 최대 값은 80%를 넘지 않는 것으로 나타나고 있다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터의 효과 상승에 대한 기준이 될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터의 치수에 따른 열외 중성자의 균일도에 대한 상승 효과에 대하여 설명하도록 한다.

도 6은 본 발명에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터의 격벽부의 두께를 다르게 구성하여 확대한 개념도이다.

도 6은 격벽의 두께를 0.1(case 1), 0.2(case 2), 0.3(case 3) 및 0.4(case 4) mm로 구성했을 때의 예를 도시한 도면이다. 이때 격벽에 의해 형성되는 개별영역의 크기의 내부 간격은 2mm로 유지되되 격벽의 두께만 달라질 수 있다. 각각의 격벽의 두께가 전술한 바와 같은 경우로 구성되므로 인접하는 개별영역간의 거리는 2*t 가 될 수 있다.

이하의 도 7 및 도 8에서는 1차 콜리메이터에 의해 형성되는 중성자 통과 영역의 지름이 15cm일 때 본 발명의 일 실시예에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터의 성능을 전산모사를 통하여 확인한 실험 데이터를 확인할 수 있다.

도 7은 도 6에 도시된 각각의 경우에 따른 열외중성자 플럭스를 도시한 도면이며, 도 8은 도 6의 각각의 경우에 따른 열외중성자 및 속 중성자의 균일도(uniformity)를 계산한 그래프이다.

도 7을 참조하면, 열외중성자의 플럭스는 case들 중에서 case 1이 가장 높게 나타났으며, case 4가 가장 낮게 나타났다. 즉 격벽의 두께(t)가 두꺼워질수록 열외중성자 플럭스는 감소되었다.

그러나 도 8을 참조하면, 격벽의 두께의 차이에도 불구하고 case 1 내지 case 4의 열외 중성자의 균일도(uniformity)에는 큰 차이가 없으며, case 1 내지 case 4에서 모두 균일도가 80% 이상으로 산출되었다.

한편, 균일도(uniformity(%))는 아래의 식을 이용하여 계산될 수 있다.

여기서 값과 값은 열외중성자 및 속중성자의 분포를 영상화 했을 때 매트릭스의 최대값과 최소값을 나타낸다. 즉 격벽의 두께는 열외 중성자의 균일도에 큰 영향을 미지치 않는 것을 알 수 있다.

이하에서는 도 9 내지 도 14를 참조하여, 본 발명에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터의 높이를 서로 다르게 구성했을 때 열외 중성자의 균일도 상승 효과에 대하여 설명하도록 한다.

도 9는 격벽부가 알루미늄으로 구성될 때 격벽부의 높이(h)에 따른 열외 중성자 빔의 플럭스를 도시한 그래프이며, 도 10은 격벽부가 알루미늄으로 구성될 때 격벽부의 높이(h)에 따른 열외 중성자 및 속 중성자의 균일도를 도시한 그래프이다.

도 9를 참조하면, 격벽부가 알루미늄으로 구성되며, 격벽부의 높이(h)를 0.5, 1, 2, 3, 4, 5cm 로 구성된 각각의 case에서, 격벽부의 높이(h)가 커질수록 열외 중성자의 플럭스가 감소되는 것을 확인할 수 있다.

그러나, 도 10을 참조하면 중성자 성형장치의 출구에서 계산된 열외 중성자의 균일도는 격벽부의 높이(h)에 따라 크게 변화하지 않는 경향을 확인할 수 있다.

종합해보면, 격벽부의 높이(h)가 낮을수록 열외 중성자 플럭스가 높으며, 격벽부의 높이(h)의 차이는 중성자 성형장치의 출구에서 열외 중성자의 균일도에 큰 영향을 미치지 않는다. 따라서 다공 열외 중성자 콜리메이터의 높이(h)가 치료 효율을 증가시키는데 유리하다.

도 11은 격벽부가 철로 구성될 때 격벽부의 높이(h)에 따른 열외 중성자 빔의 플럭스를 도시한 그래프이다.

도 11을 참조하면, 격벽부가 철로 구성되며, 격벽부의 높이(h)를 0.5, 1, 2, 3, 4, 5cm 로 구성된 각각의 case에서, 격벽부의 높이(h)가 커질수록 열외 중성자의 플럭스가 감소되는 것을 확인할 수 있다.

도 12는 격벽부가 철으로 구성될 때 격벽부의 높이(h)에 따른 열외 중성자 및 속 중성자의 균일도를 도시한 그래프이다.

도 12를 참조하면, 도 11의 실험 case에서 도출된 균일도를 평가하였으며, 열외 중성자의 균일도 및 속 중성자의 균일도는 격벽부의 높이(h)에 따라 크게 변화하지 않는 경향을 확인할 수 있다.

도 13은 1차 콜리메이터의 개구 크기 및 격벽부의 재질에 따른 열외 중성자의 균일도를 나타낸 도면이다.

도 13을 참조하면, 1차 콜리메이터의 개구 크기가 5cm, 10cm, 15cm 및 20cm 일 때 격벽부의 재질을 알루미늄 또는 철로 구성했을 때 통과하는 열외 중성자의 균일도를 확인할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터가 적용되었을 때 열외 중성자의 균일도는 종래 장치(conventional)에서 확인되는 균일도보다 10% 내지 13% 가량 증가된 것을 확인할 수 있다.

도 5 내지 도 12에 나타난 결과를 종합해보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터가 빔 성형장치에 적용되었을 때 열외 중성자의 균일도(uniformity)의 향상 효과를 발휘할 수 있다. 이때 다공 열외 중성자 콜리메이터가 2mm의 개구를 갖는 허니컴 형상으로 구성되었을 때 격벽의 두께(t)와 격벽의 높이(h)의 변화에도 불구하고 열외 중성자의 균일도가 증가되는 것을 확인하였다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터가 적용된 빔 성형장치의 개구의 크기에 따라 열외 중성자의 균일도는 달라질 수 있으나, 이 경우에도 다공 열외 중성자 콜리메이터의 적용 후의 균일도 상승 효과는 분명하게 확인되었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다공 열외 중성자 콜리메이터는 종래의 빔 성형장치의 말단에 구비될 수 있도록 구성되며, 통과하는 열외 중성자의 균일도를 향상시킬 수 있다. 따라서 붕소 중성자 포획 치료의 치료 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

100: 다공 열외 중성자 콜리메이터
110: 격벽부
111: 개별영역

Claims (9)

1. 타겟으로부터 발생된 중성자의 빔 성형장치의 출구에 구비되며,
   상기 중성자의 통과영역을 목표 중성자 빔 경로와 평행한 방향으로 구획할 수 있도록 구성되는 복수의 격벽을 포함하는 다공 열외 중성자 콜리메이터.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 목표 중성자 빔 경로는 상기 타겟 중 입자빔이 조사되는 중심부분과 상기 환자의 치료위치의 중심을 잇는 선인 다공 열외 중성자 콜리메이터.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 복수의 격벽은 상기 목표 중성자 빔 경로와 직교하는 평면상에 반복되는 패턴으로 구비되는 다공 열외 중성자 콜리메이터.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 복수의 격벽에 의해 구획된 개별영역은, 상기 목표 중성자 빔 경로와 직교하는 단면상에서 다각형으로 형성되는 다공 열외 중성자 콜리메이터.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 각각의 격벽의 두께는 0.1 내지 0.3 cm로 구성되는 다공 열외 중성자 콜리메이터.
6. 제4 항에 있어서,
   상기 복수의 격벽은,
   상기 목표 중성자 빔 경로방향으로 0.1 내지 5 cm 의 길이로 결정되는 다공 열외 중성자 콜리메이터.
7. 제4 항에 있어서,
   상기 복수의 격벽의 둘레에 구비되며, 외부의 상기 빔 성형장치의 말단과 연결될 수 있도록 구성되는 고정부를 더 포함하는 다공 열외 중성자 콜리메이터.
8. 제3 항에 있어서,
   상기 격벽은 알루미늄 및 철 중 적어도 하나를 포함하는 재질로 구성되는 다공 열외 중성자 콜리메이터.
9. 제3 항에 있어서,
   상기 복수의 격벽은 허니컴을 구성하는 다공 열외 중성자 콜리메이터.

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