[논문 리뷰] Particle Accelerators and Detectors for medical Diagnostics and Therapy

S. Braccini|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 25.

Particle accelerators and beam dynamics인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 프로톤 및 이온 치료(하드론치료)와 PET 영상용 방사성동위원소 생산을 위한 의료용 입자 가속기 및 검출기 분야에서 혁신적인 발전을 제시한다. 특히, 고도화된 빔 스캐닝을 위한 하이브리드 린액-사이클로트론 시스템인 사이클리나크(cyclinac), 베른 대학교에서 전용 연구 빔 뱅크를 갖춘 신규 빔 운반선, 그리고 분할된 이온화 챔버, 핵 에멀전 필름을 이용한 프로톤 단층촬영, 도핑된 실리카 광섬유를 활용한 새로운 빔 모니터링 기술을 도입하여 암 치료의 정밀도와 안전성을 향상시킨다.

ABSTRACT

This Habilitationsschrift (Habilitation thesis) is focused on my research activities on medical applications of particle physics and was written in 2013 to obtain the Venia Docendi (Habilitation) in experimental physics at the University of Bern. It is based on selected publications, which represented at that time my major scientific contributions as an experimental physicist to the field of particle accelerators and detectors applied to medical diagnostics and therapy. The thesis is structured in two parts. In Part I, Chapter 1 presents an introduction to accelerators and detectors applied to medicine, with particular focus on cancer hadrontherapy and on the production of radioactive isotopes. In Chapter 2, my publications on medical particle accelerators are introduced and put into their perspective. In particular, high frequency linear accelerators for hadrontherapy are discussed together with the new Bern cyclotron laboratory. Chapter 3 is dedicated to particle detectors with particular emphasis on three instruments I contributed to propose and develop: segmented ionization chambers for hadrontherapy, a proton radiography apparatus with nuclear emulsion films, and a beam monitor detector for ion beams based on doped silica fibres. Selected research and review papers are contained in Part II. For copyright reasons, they are only listed and not reprinted in this on-line version. They are available on the websites of the journals.

연구 동기 및 목표

• 고도화된 가속기 및 검출기 기술을 활용해 하드론치료를 위한 고정밀 빔 공급 시스템을 개발하기 위해.
• 하나의 병원 내 사이클로트론 시설에서 동시에 PET 영상용 방사성동위원소 생산과 다학제적 연구를 가능하게 하기 위해.
• 신규로 설계된 작고 방사선에 강한 검출기를 통해 치료 중 실시간 빔 모니터링을 향상시키기 위해.
• 프로톤 단층촬영을 통해 환자 조직 내 이온 빔의 정확한 진행 거리를 측정함으로써 치료 정확도를 향상시키기 위해.
• 소형 의료용 가속기 시설에 통합 가능한 작고 최적화된 빔 진단 시스템을 소형화 및 최적화하기 위해.

제안 방법

• 프로톤 또는 이온 린액(선형가속기)를 사이클로트론에 결합하여 하드론치료 및 방사성동위원소 생산을 동시에 수행할 수 있는 하이브리드 사이클리나크 시스템의 설계 및 구현.
• 베른 사이클로트론 실험실에 전용 빔 이송선(BTL)과 별도의 연구 빔 뱅크를 구축하여 임상 및 연구용 빔을 동시에 사용할 수 있도록 하였다.
• PSI의 Gantry 2에서 스폟 스캐닝 하드론치료 동안 빔 위치, 강도, 형상의 실시간 모니터링을 위한 분할 스트립 이온화 챔버의 설계 및 제작.
• 핵 에멀전 필름 검출기를 활용한 프로톤 단층촬영을 통해 조직 내 프로톤의 진행 거리를 1mm 이하의 해상도로 측정.
• 모터 제어 스캐닝 시스템과 ADC 기반 데이터 수집 장치를 갖춘 도핑된 실리카 광섬유(예: Ta3+ 및 Sb3+ 도핑) 기반 빔 프로파일 모니터의 설계 및 시험.
• 6초의 조절 주기와 ±15 mm의 빔 이동을 통해 고해상도 빔 프로파일 측정을 실현하였으며, 의도적인 빔 절단을 통한 검증을 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 가속기 시스템(사이클리나크)은 하드론치료의 효율성과 정밀도를 향상시키면서 동시에 방사성동위원소 생산도 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 병원 환경에서 임상 치료와 별도의 연구 활동을 동시에 지원하기 위해 빔 운반선에 요구되는 설계적 특성은 무엇인가?
• RQ3 분할된 이온화 챔버는 스폿 스캐닝 프로톤 치료 중 실시간 빔 모니터링을 위해 필요한 1mm 이내의 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ4 핵 에멀전 필름 기반 프로톤 단층촬영은 치료 계획에 있어 밀리미터 수준의 정밀도로 정확한 실시간 조직 내 거리 측정을 가능하게 하는가?
• RQ5 도핑된 실리카 광섬유는 의료용 가속기에서 충분한 민감도와 동적 범위를 확보하면서도 작고 방사선에 강한 빔 프로파일 모니터로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 베른 사이클로트론 실험실은 전용 빔 이송선과 연구 빔 뱅크를 갖추고 전면 가동 중이며, 임상 및 연구 활동을 병행할 수 있는 유일무이한 스위스 내 시설로 기능하고 있다.
• PSI의 Gantry 2를 위해 개발된 분할 스트립 이온화 챔버는 1mm 이내의 고정밀도 빔 모니터링을 달성하여 스폿 스캐닝 하드론치료에 필수적인 요소가 되었다.
• 핵 에멀전 필름 기반 프로톤 단층촬영은 1mm 미만의 해상도로 빔 프로파일 측정에 성공하여 실시간 조직 내 거리 검증 잠재력을 입증하였다.
• 도핑된 실리카 섬유 기반 빔 모니터 프로토타입은 500 nA에서 5 µA의 강도 범위에서 빔 프로파일 측정을 수행하였으며, 1mm 이내의 해상도를 확보하여 실시간 빔 진단의 가능성 검증에 성공하였다.
• Ta3+ 도핑 실리카 섬유는 빛의 방출 효율이 0.5%로 Sb3+ 도핑 섬유보다 略 높아 향후 빔 모니터에 사용될 수 있는 개선된 형광 재료로의 잠재력이 있음을 시사하였다.
• 모든 제어 시스템(모터 제어 스캐닝 및 ADC 기반 데이터 수집 포함)은 개발 중이며, 향후 소형화가 장기 목표로 설정되어 있다.