<붙임 4>

기관고유연구사업 최종보고서

연구분야(코드) G0405 과제번호 1210540 지원프로그램

창의(일반연구)과제

과제성격(기초,응용,개발) 개발 실용화 대상여부 실용화 공개가능여부(공개,비공개) 공개

연구과제명 (국문) 재사용 가능한 양성자치료용 보상체 개발과 유효성 평가 (영문) Development of reusable proton compensator and its evaluation

과제책임자 소 속 양성자치료센터 직 위 의학물리학직성 명 임영경 전 공 물리학

세부과제

구분 세부과제명 세부과제책임자성명 소속(직위) 전 공

1 재사용 가능한 양성자치료용 보상체 개발과 유효성 평가 임영경

양성자치료센터(의학물리학직)

물리학

23

총 연구기간 2012년 2월~2014년 12월(총 2년11월)

참여연구원수(단위: 명, MY) 11명, 1.8MY

연구기간 및연구비

(단위:천원)

구분 연 구 기 간 계 국 립암센터

기 업 부 담 금소계 현금 현물

계 2012.02～2014.12 150,000 150,000제1차 2012.02～2012.12 50,000 50,000제2차 2013.01～2013.12 50,000 50,000제3차 2014.01～2014.12 50,000 50,000

참 여 기 업 명 칭 전화 FAX기관고유연구사업관리규칙에 따라 본 연구개발사업을 성실히 수행하였으며 아래와 같이 최종보고서를 제출합니다.

2014년 10 월 30 일

과제책임자 임 영 경 (서명)국 립 암 센 터 원 장 귀 하

(첨부서류)

목 차

< 요 약 문 >

(한글)․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․1

(영문)․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․3

1. 연구의 최종목표․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․5

2. 연구의 내용 및 결과․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․5

3. 연구결과 고찰 및 결론․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․28

4. 연구성과 및 목표달성도․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․31

5. 연구결과의 활용계획․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․35

6. 참고문헌․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․36

7. 첨부서류․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․37

< 요 약 문 >

연구목표(200자 이내)

<최종목표>양성자치료에서 환자의 종양 형태에 따라 양성자빔의 투과 깊이를 조절하는데 필수

적인 보상체는 환자별로 사용하는 빔 개수만큼 제작되어야 하므로 재료비 지출이 많

고 제작에 소요되는 시간도 상당히 길어서 한꺼번에 많은 환자를 치료하거나 응급환

자를 신속히 치료하기 어려운데 이러한 일련의 문제점들을 해결함과 동시에 반영구

적으로 재사용 가능한 양성자치료 보상체를 개발하고 생물학적 유효성을 평가하며

보상체 자동조합시스템을 개발하고자 함.

<당해연도목표>¡ 조합형 양성자치료 보상체 시스템 개발완료

¡ 조합된 양성자치료 보상체의 검증시스템 개발

¡ 능동형 양성자치료 보상체 시험품 개발

연구내용 및 방법(500자 이내)

<1차년도>▣ 조합형 양성자치료 보상체 개발 (I)

-양성자치료기 빔 인출노즐의 크기(Snout 100, 250mm)에 따라 수동으로 조합 가능한

두 종류의 양성자치료 보상체 프로토타입 설계 및 제작

-조합형 보상체에 의해 형성되는 양성자빔의 선량분포 측정 및 치료계획시스템 계산결

과와의 비교평가

▣ 보상체 자동조합시스템 개발 (I)

-보상체 자동조합시스템의 기초설계

▣ 능동형 양성자치료 보상체 개발 (I)

-능동형 양성자치료 보상체의 개념설계 및 가능성 시험

<2차년도>▣ 보상체 조합시스템 개발-치료계획 보상체의 정보 분석 및 변환 알고리즘 개발-보상체 조합시스템 H/W 및 S/W 개발▣ 양성자치료 보상체의 유효성 평가-보상체에 대한 물리적 평가시스템의 구축-선량분포 측정을 통한 보상체의 물리적 성능평가▣ 능동형 양성자치료 보상체 시험품의 연구-능동형 보상체 시험품 설계 및 제작-능동형 보상체의 시험품 구동시험

<3차년도>▣ 조합형 양성자치료 보상체 시스템 개발완료- 3차원 프린팅을 위한 양성자치료 보상체 정보변환 프로그램 제작- 3차원 프린터를 이용한 보상체 조합시스템 구성▣ 조합된 양성자치료 보상체의 검증시스템 개발- X선과 디지털영상장치를 이용한 양성자치료 보상체 조합검증시스템 개발▣ 능동형 양성자치료 보상체 시험품 개발- 능동형 보상체 시험품의 상세설계 및 제작- 능동형 보상체 시험품의 동작성능 시험

연구개발에 따른 기대성과

<정량적 성과>

구분 달성치/목표치1) 달성도(%)

SCI 논문 편수 4+2(심사중)/2 200

IF 합 12.004+7.886(심사중)/7 171

기타 성과 3/2 (특허출원) 150

¡ 심사중인 논문: 2편

Ÿ Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys. (I.F. 4.176, 교신저자), “A reusable proton

range compensator for proton therapy: a feasibility study”

Ÿ Acta Oncologica (I.F. 3.71, 제1저자), “Comparative Analysis for the

Effects of Proton Beam Therapy, Helical Tomotherapy and RapidArc

Radiotherapy on Irradiated Liver”

<정성적 성과>

¡ 국제학술대회 발표: 4회 (ASTRO: 1회, PTCOG: 3회)

1. A reusable proton range compensator and verificatio of its functionality

(ASTRO56, Austin, Texas, US, 2014)

2. Multi-layer assembled proton range compensator for cranio-spinal irradiation:

a feasibility study (PTCOG52, Essen, Germany, 2013)

3. Migration Evaluation of various markers for proton (PTCOG52, Essen,

Germany, 2013)

4. Dosimetric Evaluation of Multileaf Proton Range Compensator in Passive

Scattering Mode (PTCOG51, Seoul, Korea, 2012)

색인어국문

암 치료 양성자치료 양성자 회전치료양성자 비정 보상체 재사용 보상체

영문Cancer treatment Proton therapy Proton arc therapyProton range Range compensator Reusable compensator

Project Summary

Title of ProjectDevelopment of reusable proton compensator and itsevaluation

Key Words

Cancer treatment, Proton therapy, Proton arc therapy,Proton range, Range compensator, Reusable rangecompensator

Project Leader Lim, Young Kyung

Associated Company

<Final Goal>

We will develope a reusable and reshapable proton RC, named the Multi-Layer Assembled

proton range Compensator (MLAC), for proton therapy, which is composed of 40 - 60 layers

in which 50-paired PMMA bars of 5 mm thick or 2.5 mm thick are assembled. We will also

develope an efficient assembly system for the two kinds of MLACs. Finally, we will evaluate

the physical properties of the reusable range compensator and the geometric similarity between

it and the plan data for several clinical cases, and finally discussed its validity and limitation

for clinical use.

<1st year>- Design and fabrication of prototype Muli-layer Assembled proton range Compensator (MLAC)

adaptable to IBA snout 250 with 5 mm-thick leaves

- Dosimetric evaluation of MLAC for IBA snout 250 by comparing with the proton plan data

- Basic design of automatic assembly system of MLAC

- Conceptual design and feasibility test of Dynamic range compensator single unit

<2nd year>- Design and fabrication of prototype MLAC adaptable to IBA snout 100 with 2.5 mm-thick leaves

- Development of compensator data analysis and data transforming algorithm- Development of MLAC assembly system- Foundation of physical evaluation system of MLAC- Dosimetric measurement of MLAC and its evaluation- Basic design of dynamic range compensator- Basic test of dynamic range compensator single unit

<3rd year>- Development of compensator data transforming program for 3-d printing- Development of MLAC assembly system using 3-d printer- Development of the verification system for the MLAC assembly using diagnostic X-rayand digital imaging system.- Design and fabrication of Dynamic range compensator single unit

- Test of dynamic range compensator single unit

<Research Achievements>

Item Achievement/Goal Achievement(%)

No. of papers (SCI) 4+2(under review)/2 200

Sum of IF12.004+7.886(under

review)/7171

Other achievement 3/2 (Patent) 150

¡ Papers under review: 2 papers

Ÿ Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys. (I.F. 4.176, Corresponding author), “A reusable proton range

compensator for proton therapy: a feasibility study”

Ÿ Acta Oncologica (I.F. 3.71, First author), “Comparative Analysis for the Effects of Proton

Beam Therapy, Helical Tomotherapy and RapidArc Radiotherapy on Irradiated Liver”

¡ International conference: 4 (ASTRO: 1, PTCOG: 3)

1. A reusable proton range compensator and verificatio of its functionality (ASTRO56, Austin,

Texas, US, 2014)

2. Multi-layer assembled proton range compensator for cranio-spinal irradiation: a feasibility study

(PTCOG52, Essen, Germany, 2013)

3. Migration Evaluation of various markers for proton (PTCOG52, Essen, Germany, 2013)

4. Dosimetric Evaluation of Multileaf Proton Range Compensator in Passive Scattering Mode

(PTCOG51, Seoul, Korea, 2012)

1. 연구의 최종목표

양성자치료에서 환자의 종양 형태에 따라 양성자빔의 투과 깊이를 조절하는데 필수적인 보상체는 환자

별로 사용하는 빔 개수만큼 제작되어야 하므로 재료비 지출이 많고 제작에 소요되는 시간도 상당히 길

어서 한꺼번에 많은 환자를 치료하거나 응급환자를 신속히 치료하기 어려운데 이러한 일련의 문제점들

을 해결함과 동시에 반영구적으로 재사용 가능한 양성자치료 보상체를 개발하고 생물학적 유효성을 평

가하며 보상체 자동조합시스템을 개발하고자 함.

2. 연구의 내용 및 결과

2.1 재사용 가능한 조합형 양성자치료 보상체의 개발

(1) Snout 250 mm (5x5 mm leaf) 조합형 보상체

¡ 본 연구에서 제작된 Snout 250용 조합형 보상체는 60 개의 층으로 구성되며 각 층은 47 쌍의

PMMA 막대로 이루어짐. 각 막대는 5 x 5 x 180 mm3 크기이며 조합형 보상체의 유효체적은

235 x 235 x 300 mm3 으로 본 보상체는 주 용도는 간암, 폐암, CSI (cranio-spinal irradiation)

와 같이 크기가 매우 큰 종양을 대상으로 함.

(a) 250mm 환자치료용 보상체 (b) 5mm 보상체 엽(leaf)

(c) 250mm 조합형 보상체(좌)와 종양의 형태를 구현한 모습(우)

그림 1. 조합가능한 Snout 250mm (5mm leaf) 양성자치료 보상체

(a) 선량분포 EBT2 film 비교

(b) γ-analysis result (γ-Image ) (c) γ-analysis result (γ-Histogram )

그림 2. 선량분포 비교 (Snout 250mm 보상체)

¡ 현재 국립암센터 양성자치료에서 사용하는 보상체는 2.5 mm 간격으로 미세 가공된 보상체인

데, 이를 표준보상체로 간주하고 동일환자에 대해 본 연구에서 개발된 조합형 양성자치료 보

상체를 사용하여 측정한 양성자빔의 선량분포를 표준보상체로부터 측정한 선량분포와 비교함.

¡ 선량측정은 radiochromic 필름 (EBT2)을 사용하여 2차원 선량분포를 측정하는 방법과 다이오

드 또는 이온 검출기와 대형 물 팬텀을 사용하여 3차원 선량분포를 측정하는 방법 중

radiochromic 필름을 이용한 2차원 선량 분포를 여러 깊이에서 측정하는 방법을 사용하였음.

¡ EBT2 필름으로 측정된 선량분포는 광학 스캐너를 사용하여 광밀도 분포를 스캔하고 표준보

상체에서 얻은 분포와 3mm 이내의 선량편차가 3% 이상 차이나는 영역의 비율을 평가함.

¡ 양성자 선량 분포는 FilmQA 소프트웨어를 이용해 감마 분석하였으며 선량 분포 편차 3mm,

3% 이하인 영역이 전체에서 차지하는 비율을 수치로 표현 하여 95% 이상이면 두 보상체간

성능이 동일하다고 평가함.

그림 3. 다양한 깊이에서의 선량편차 분석.

Patient Film position (cm: %)

1 7.5: 98.22% 9.0: 97.37% 11.0: 97.68% 14.0: 99.19% 15.0: 98.24%

2 7.5: 99.79% 8.5: 99.6% 11.5: 97.47% 13.5: 99.07% 17.5: 95.41%

3 6 : 98.23% 7.5: 98.67% 10.5: 97.88% 12.5: 99.01% 16.5: 91.55%

4 5.5: 66.11% 6.5: 97.30% 9.5: 95.58% 11.5: 96.67% 15.5: 94.34%

표 1. 양성자 치료를 받은 네 명의 환자에 대한 표준보상체와 조합형 보상체의 깊이별 선량

편차 결과.

¡ 양성자 치료를 받은 네 환자의 양성자 보상체를 조합형 보상체와 선량편차 분석한 결과(표

11)는 보상체 말단 부분을 제외하고는 95% 이상의 통과율을 보여 표준보상체와 조합형 보상

체의 성능 간 차이가 없는 것을 확인 함.

¡ 말단 영역에서 생기는 선량 분포의 차이는 조합형 보상체 엽(leaf)의 크기가 말단 영역에서

표준 보상체의 모양 변화를 충분히 표현할 만큼 작지 않아서 생기므로 보상체 엽의 세밀화를

통해 극복하고자 2.5mm 보상체 엽을 제작함.

(2) Snout 100 mm (2.5x2.5 mm leaf) 조합형 보상체

¡ 본 연구에서 제작된 Snout 100용 조합형 보상체는 20 개의 층으로 구성되며 각 층은 50 쌍의

PMMA 막대로 이루어짐. 각 막대는 2.5 x 2.5 x 100 mm3 크기이며 조합형 보상체의 유효체적

은 125 x 125 x 100 mm3 으로 본 보상체는 주 용도는 작은 크기의 종양, IBA universal

nozzle 의 100 mm 크기의 snout 에 적합한 크기의 종양에 한정함.

¡ 보상체는 각 층이 2 개의 세부층으로 나뉘며 세부층이 모여 하나의 층을 만들 때 요철 구조를

형성하여 각 층의 PMMA 막대를 서로 지지하도록 함. 각 층의 PMMA 막대는 요철 구조 방

향으로 움직일 수 있어 치료 계획상 계산된 보상체의 형태를 구현할 수 있음. 요철 구조의 방

향은 각 층마다 번갈아가며 바뀌어 요철 구조의 수직 방향에 있는 2.5 mm PMMA 막대의 불

연속적인 단절을 상쇄하도록 함.

¡

그림 4. 조합형 보상체의 개략도 (A)와 실제 조합형 보상체의 조립 형태

(B).

¡ 치료계획에서 계산된 보상체의 모양을 구현하기 위해 TPS에서 각 환자의 DICOM RT ION

파일을 받아 자체 제작한 프로그램을 통해 보상체의 모양을 추출 함. (그림 5) 각 보상체의 기

하학적 구조를 제작된 프로그램을 통해 STL 형식으로 변환하여 3차원 프린터로 출력함. 출력

된 보상체 외벽을 조합형 보상체에 삽입해 조합형 보상체의 PMMA 막대를 출력물의 외벽에

맞춤으로 치료계획 상 보상체를 조합형 보상체로 구현함.

¡ 본 연구에서는 nozzle x-ray 와 DIPS 패널을 이용해 보상체의 완성도를 검증하는 거치대와 프

로그램을 개발하였음. 제작된 조합형 보상체의 기하학적 구조는 양성자 치료기의 nozzle 에 부

착된 x-ray 장비를 이용해 검증함. 양성자 치료기의 nozzle 에는 환자 자세 재현용 x-ray 발생

기와 수신기가 부착되어 있으며 이를 통해 양성자 치료용 보상체의 검증을 하는 것은 치료 과

정 중 검증이 이루어지며 검증에 필요한 추가 운송 과정을 제거하여 전체의 효율을 높이는 방

법임.

그림 5. 완성된 보상체와 치료 계획을 서로 비교하고 둘 사

이의 차이를 히스토그램으로 표현하는 자체 개발된 보상체

검증 프로그램.

(3) 능동형 양성자치료 보상체 개념 설계

○ 종양형태 구현을 위해 조합 시, 각각의 기둥별 제어의 어려움과 구조적 문제점 등이 있음. 물

또는 젤, 고형물 등의 재료를 이용한 능동형 양성자치료 보상체의 가능성을 타진하기 위해 다

양한 개념설계가 1차년도에 일부 시도되었고, 2차년도에는 다양한 능동형 보상체의 구현 방식

에 대해 기초 설계와 일부 가능성 시험을 수행하였음.

○ 실린더 형태의 물 기둥을 이용한 능동형 양성자치료 보상체: 0.2-0.3mm 두께의 얇은 알루미

늄이나 스테일레스 스틸 격벽내에 물을 주입하고 피스톤에 의해 물 기둥의 높이를 능동적으로

조절하여 양성자빔의 침투깊이를 조절하는 방식임.

그림 6. 물 기둥 실린더를 이용한 능동형 양성자치료 보상체 구성도

○ 2가지 종류의 격벽 물질에 대해 양성자빔의 선량왜곡 정도를 시험하였는데 0.2mm 두께의 알

루미늄에서는 격벽에 의한 양성자빔의 선량왜곡이 4% 정도로 미미하였음. 하지만 0.3mm 두께

의 스테인레스강에서는 격벽에 의한 양성자빔의 선량왜곡이 30% 가까이 측정되었음. 이를 완

화하기 위해 보상체의 격벽재질은 알루미늄을 사용하는 것이 바람직하고 격벽의 두께 이상(대

락 ±0.5mm)으로 진동을 주어 왜곡된 선량을 보상하도록 할 계획임.

그림 7. 물 기둥 실린더 격벽재질(Al 0.2mm)이 양성자빔에 미치는 영향

그림 8. 제작된 물 기둥 실린더 격벽(SUS 0.3mm) 및 블록헤드

○ 스폰지를 이용한 능동형 양성자치료 보상체: 스폰지에 흡수되는 물의 양을 압전밸브를 사용하

여 조절하고 흡수된 물의 양에 의해 양성자빔의 침투깊이가 조절되는 방식임.

그림 9. 스폰지에 흡수되는 물의 양을 조절할 소형 압전밸브

그림 10. 물기둥 실린더 격벽(SUS 0.3mm)의 선량왜곡 평가

그림 11. 스폰지를 이용한 능동형 양성자치료 보상체 구성도

2.2 3차원 출력을 위한 양성자치료 보상체 정보변환 프로그램 개발

¡ 조합형 보상체를 완성할 때, 표준보상체의 각 깊이별 2차원 윤곽선을 출력해 조합한 뒤 적층하

는 방식은 2.5 x 2.5 mm2 보상체 엽을 사용했을 때 각 층 당 200개의 보상체 엽을 조합해야

함. 이는 10 x 10 x 10 cm3 의 보상체를 제작하기 위해 4000개의 보상체 엽을 조합해야하며

상당한 제작 시간이 필요함.

¡ 이에 각 층을 조합해 적층하는 방식 외에 거푸집을 만들어 표준보상체의 외곽형태를 석고로

주조하고 조합형 보상체를 석고틀에 맞춰 조합하는 방식을 시험하였음. 석고의 형상에 맞추어

보상체를 조합하는 방법은 매우 빠르고 간편한 방법임.

¡ 석고 형태를 이용해 조합하는 방식은 조합에 필요한 시간을 크게 단축시킬 수 있으나 석고 형

상을 추가 제작해야하는 단점이 있음. 이에 3차원 프린터를 이용해 보상체 외곽형태를 단시간

에 출력하고 이를 이용해 2.5 x 2. 5mm2 보상체 엽을 조합하는 방식을 구현하였음.

¡ 치료계획 시스템(TPS)에서 환자 종양의 형태대로 양성자 보상체의 3차원 형태를 계산하면 이

정보는 밀링장비로 보내져 표준보상체의 형태로 가공됨. 조합형 보상체는 밀링장비로 보내질

정보를 DICOM RT ION 파일에서 추출하여 3차원 형태로 재구성해 이를 3D 프린터로 양각

출력함. 양각 출력된 보상체의 외벽 형태는 조합형 보상체의 내부 공동을 형성해 밀링장비로

깍아 만든 표준보상체와 같은 역할을 하게 됨.

그림 12. 재사용 가능한 보상체 조합을 위한 전체 작업 흐름도

2.3 3차원 프린터를 이용한 보상체 조합시스템 개발

(1) 석고를 이용한 보상체 형상 조합

¡ 2.5mm 크기의 보상체 엽으로 환자치료용 보상체의 형상을 용이하게 조합하기 위해 석고를

이용하여 보상체의 형상을 뜨고 그 형상에 맞추어 2.5mm 보상체를 조합하였음.

그림 13. 보상체 조합을 위해 제작된 다양한 석고틀의 모습

그림 14. 보상체 조합을 위한 석고틀 조립 모습

¡ 초기 사용한 석고형상 대신 3차원 프린터를 이용해 보상체 외곽형태를 단시간에 출력하고 이

를 이용해 2.5x2.5mm 보상체 엽을 조합하는 방식을 고안함.

(2) 3차원 프린터를 이용한 보상체 형상 조합

¡ 3차원 프린터의 사양

- 보상체의 기하학적인 구조정보는 TPS에서 환자치료계획과 함께 생성되고, 이 정보는 환자의

DICOM RT ION 파일에 저장됨. 이에서 환자 보상체의 구조정보를 추출해 변환 프로그램을

이용, STL(STereoLithography) 형식으로 변환하면 3차원 프린터에서 인식이 가능하고 보상체

의 외벽형상을 아래 그림과 같이 제작할 수 있음.

-본 과제에서 구입하는 3차원 프린터에서는 PLA계열과 ABS계열의 수지를 모두 사용할 수 있

으며 필요한 품질을 유지하면서 동시에 빠른 제조공정에 적합한 수지계열을 선정할 계획임.

그림 15. 3차원 프린터의 외관 및 출력물

그림 16. 3차원 프린터의 사양 및 사용 소재의 특성

그림 17. 3차원 프린터를 이용하여 출력한 조합용 거푸집의 모습.

2.4 X선과 디지털영상장치를 이용한 양성자치료 보상체 조합검증시스템 개발

◦ 조합된 보상체의 기계적 완성도는 치료계획시스템의 보상체 정보와 얼마나 동일한지를 측정해

파악할 수 있음. 지금까지는 보상체의 깊이 방향 정보를 제한된 소수의 점에서 측정하였으나 X

선과 디지털 영상장치를 이용해 조합형 보상체의 기계적 완성도를 측정할 수 있는 시스템을 구

축하였음.

◦ X선이 보상체를 통과하면 통과한 깊이에 해당하는 만큼 선의 세기가 약해지며 이것으로 보상

체 깊이와 X선 세기 간의 관계를 찾을 수 있음. 조합형 보상체의 각 위치에서의 두께와 통과한

X선의 세기 간에도 마찬가지의 관계를 통해 3차원 깊이 정보를 재구성할 수 있음. 재구성된 조

합형 보상체의 정보와 TPS의 보상체 정보를 직접 비교함으로써 보상체 전체의 기계적 완성도

를 측정하고 환자 치료 시 선량 부정확도의 기계적인 측면을 제거할 수 있음.

그림 18. X선과 디지털 영상장치를 이용한 조합형 보상체 검증과정 모식도

2.5 양성자치료 보상체의 유효성 평가

◦ 7 개의 보상체 정보가 변환-출력되었으며 조합형 보상체로 구현이 이루어짐. 구현된 각 보상체

는 치료계획과 비교하기 위해 x-ray 촬영함. 촬영된 x-ray 영상은 PMMA 의 깊이와 촬영된

x-ray 영상의 픽셀값 사이의 관계식을 이용해 조합형 보상체의 깊이 정보로 변환되었음. 변환

된 깊이 정보는 치료계획과 비교하였고 비교 방법은 기존의 감마 분석을 차용하였음.

그림 19. 조합형 보상체에 사용된 치료계획 상 보상체 형태 (A)와 조합형 보상체의 제작에 사용된

3차원 출력물 (C), 완성된 조합형 보상체의 x-ray 사진 (B).

◦ 기존의 감마 분석은 선량-위치 관계의 유사도를 측정하는 것이었지만 본 연구에서는 기존 감

마 분석을 변형해 높이-위치 관계의 유사도를 측정함. 이는 두 보상체 형태 사이의 기하학적 유

사도를 측정하는 것으로 기존 감마 분석의 DD(Dose Difference, 선량차이), DTA(Distance To

Agreement, 동일값 거리차이) 를 DD(Depth Difference, 깊이 차이), DTA(Distance To

Agreement, 동일값 거리차이) 로 변환하였음.

Case No. SiteCompensator size (blocked) (mm) Mould

printing time(min)max. depth max. length max. width

1 Prostate 61.8 (38.7) 77.2 (61) 96.9 (84) 110

2 Brain 49.3 (35.9) 85.2 (68) 82.9 (67) 120

3 Brain 47.9 (33.5) 95.2 (75) 88.9 (73) 180

4 Brain 50.2 (36.5) 71.2 (42) 89.9 (64) 180

5 Brain 53.8 (40.4) 60.8 (35) 87.9 (60) 110

6 Neck 55.8 (48.7) 55.1 (39) 68.8 (52) 90

7 Brain 61.6 (61.6) 63.5 (60) 67.5 (52) 105

표 2. 7 개의 보상체 정보. 치료부위, 보상체 최대 깊이, 차폐체 내부의 최대 깊이,

최대 넓이, 3차원 출력 시간 등이 기재됨.

◦ 수정된 감마 분석을 이용해 치료계획의 보상체 모양과 조합된 보상체 모양의 유사도를 측정하

였고 유사도의 허용 범위는 2 mm DD, 2 mm DTA 일 때 감마 통과율이 95% 이상이면 치료

계획과 실사용면에서 차이가 없다고 인정함. 이는 양성자 치료에서 매우 중요한 투과깊이와 조

합형 보상체의 PMMA 막대의 크기 사이의 최적화된 조건임. PMMA 막대의 단면적 2.5 x 2.5

mm2 는 높이 방향 2.5 mm 너비 방향 2.5 mm 의 불연속성을 내포하고 있으며 이는 평균 1.25

mm 정도의 오차가 매 지점마다 생길 수 있음과 같은 의미임.

그림 20. 완성된 조합형 보상체의 x-ray 사진으로부터 재구성된 높이 정보와 치료 계획으로

부터 얻은 보상체 형태를 비교한 DD(Depth Difference) (A), DTA(Distance To

Agreement) (B), 감마 분석 (C) 지도와 누적 히스트그램.

◦ 보상체의 제작에는 너비 방향으로 환자 움직임이나 환자 위치 재현의 불확도 때문에 smearing

effect를 고려하며, 깊이 방향으로는 CT의 HU 값에서 오는 불확도와 선량 계산에서 오는 불확

도로 인해 생기는 range uncertainty 를 보정하기 위해서 distal margin을 줌. 기존의 보상체는

제작 오차 0.2 mm 로 정교하나 조합형 보상체의 경우 약 1.2 mm 정도의 개별 점에서 생기는

오차가 있으며 이로 인해 추가 1 mm 정도의 불확도가 생김. 수정된 감마 분석을 통해 얻은 2

mm / 2 mm 의 95% 이상의 통과율은 조합형 보상체의 장비 자체 한계를 고려한 값임.

그림 21. 첫 번째 (A), 여섯 번째 (B), 네 번째 (C) 조합형 보상체(파란 실선)와 치료계획 상

보상체 (빨간 실선)형태의 수평, 수직 단면도.

◦ 보상체의 단면 형태를 보여주는 그림 21에서는 치료계획 상 보상체의 형태가 조합된 보상체의

형태와 일치함을 보여줌. 단 네 번째 보상체의 경우, 보상체의 중간에 솟아있는 섬 형태는 한

쌍의 PMMA 막대 움직임으로는 구현이 불가능하며 이것이 조합형 보상체 (빨강)와 치료계획

상 보상체 (파랑)의 차이로 나타남.

◦ 그림 21과 이전의 논의를 함께 고려했을 때, 본 연구의 조합형 보상체는 약 1 mm 정도의 구

조적 재현 불확도가 있음을 허용하는 방사선 치료의 경우, 예로써 간암, 폐암의 경우 활용시 문

제가 없을 것으로 예상되며 뇌암, 척수암 등 양성자 투과깊이의 높은 정확도가 요구되는 종류의

암에는 사용을 권하지 않음.

◦ 표 2 는 7개의 제작된 보상체와 치료계획의 값의 감마 분석결과임. 기존 보상체(cRC) 의 경우

모든 경우에서 DD 2 mm, DTA 2 mm 인 감마 분석의 통과율이 95% 이상이나 조합형 보상체

의 경우 네 번째 보상체의 통과율이 89.3% 로 95%를 통과하지 못함. 이는 그림 21에서 보였던

섬 형태의 구조물이 조합형 보상체로는 표현이 되지 않은 결과임.

RC Type

Case No.

Pass rate (%) Gamma pass rate (%)

DD (mm) DTA (mm) DD DTA DD DTA

2 3 4 5 2 3 3 mm 2 mm

cRC

1 92.4 97.8 99.8 99.9 100.0 100.0 100.0 100.0

2 99.5 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0

3 97.7 99.9 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0

4 92.4 95.8 97.7 98.5 98.2 99.9 100.0 100.0

5 95.9 99.4 100.0 100.0 98.5 99.9 100.0 100.0

6 75.7 94.2 98.3 99.8 86.1 91.0 100.0 99.9

7 80.3 93.0 95.9 97.3 83.5 94.1 98.6 95.5

Avr. 90.6 97.2 98.8 99.4 95.2 97.8 99.8 99.3

MLAC

1 78.8 96.5 99.6 100.0 92.3 99.1 100.0 99.9

2 67.8 89.3 97.8 99.9 79.2 94.2 100.0 99.9

3 81.4 94.7 99.2 100.0 83.9 95.8 100.0 98.7

4 68.7 95.5 98.1 98.8 78.4 98.2 95.6 89.3

5 59.1 79.5 91.2 97.1 76.8 98.6 98.3 95.2

6 74.9 97.7 99.7 100.0 90.5 99.0 99.9 97.8

7 65.5 83.0 93.6 97.1 78.9 96.9 99.5 95.7

Avr. 70.9 90.9 97.0 99.0 82.9 97.4 99.0 96.6

표 3. 감마 분석의 결과. 거리 차이 DD 와 동일값 거리 DTA, 감마 통과율이 DD 와 DTA 의

조합으로 표시되어 있음. 4 번 째 보상체의 경우 기존의 보상체 (cRC) 는 DD, DTA 2 mm 일

때 통과율이 100% 이나 조합형 보상체(MLAC) 의 경우 89.3%로 사용에 부적절함.

◦ 본 연구의 결과로 2.5 mm x 2.5 mm 단면적을 가진 PMMA 막대로 표현된 조합형 보상체는

양성자 빔의 방향 약 2 mm, 빔에 수직한 너비 방향으로 2 mm 정도의 추가 여유를 허락하는

암종에 사용이 가능하며 이 때 보상체의 형태에 그림 19의 4 번 째 보상체에서 보였던 종류의

섬 형태가 없어야 함. 구체적 적용 부위는 간암 또는 폐암의 경우이며, 주위에 방사선에 민감한

정상 조직이 분포한 경우, 예로써 뇌암, 척수 근처에 존재하는 암의 경우 사용을 권하지 않음.

2.6 양성자치료 환자의 위치조준용 레이저 정렬장치 개발

(1) 기본원리

- 완전한 수평상태를 유지하고, 기계적으로 잘 가공된 두 개의 절대적인 기준점을 기반으로 방

사선치료의 조준용 레이저를 밀리미터 이하의 정확도로 정렬함.

- 완전한 수평상태는 50μm/1000mm의 분해능을 갖는 2개의 초고정밀 수평계에 의해 달성되고,

절대적인 기준점은 투명한 아크릴판에 점선형태로 음각된 십자선이 될 수 있음.

- 레이저 정렬은 광학적 정렬단계와 방사선 정렬단계로 나누어짐.

- 광학적 정렬은 치료기 내부에 설치된 광원을 이용하여 광원과 위에서 언급한 두 개의 절대적

인 기준점이 일치하도록 하고, 방사선 정렬은 콜리메이터를 이용하여 방사선을 띠 형태로 만

든 후 각각 콜리메이터 회전과 갠트리 회전을 통해 방사선의 회전중심점을 찾아 수평 및 수

직 레이저를 정렬하는 방법임.

그림 22. 고안한 레이저 정렬기구에 의한 광학적 정렬 개념도.

그림 23. 고안한 레이저 정렬기구의 방사선에 의한 레이저정렬 개념도.

(2) 기본 구성요소

- 레이저 정렬기구는 광학적 정렬부분과 방사선 정렬부분으로 구성되어 있음.

- 각각의 구성부분은 아래 그림 24와 같이 광원, 피사체, 피사체에 대한 영상부로 이루어져 있음.

그림 24. 레이저 정렬기구의 기본 구성요소.

(3) 레이저 정렬기구 시험품 제작

- 제작된 레이저 정렬기구 시험품은 아래 그림 25와 같음.

- 레이저 정렬기구는 전반적으로 투명한 아크릴로 제작되어 방사선치료기에서 비추는 불빛이 잘

통과하도록 되어 있고, 좌우 측면과 상부면 투명 아크릴판에 십자선이 점선 또는 실선 형태로

새겨져 있어서 정렬의 기준 역할을 하게 됨.

- 기구의 바닥면에는 50μm/1000mm의 분해능을 갖는 2개의 초고정밀 수평계가 장착되어 있어서

기구의 완전한 수평상태를 달성해 줄 수 있음.

- 또한 바닥면과 한 측면에는 방사선 감광필름을 장착할 수 있어서 방사선의 중심점을 찾을 수

있음.

(b)

그림 25. 제작된 레이저 정렬기구 시험품: 1차 시험품 (a)과 3차 시험품 (b).

(4) 개발된 레이저 정렬기구의 성능시험

가) 정렬 순서도

- 레이저 정렬기구를 이용한 방사선 치료실내의 레이저 정렬방법은 우선 광학적 방법에 의해

좌우측 벽면의 수평 및 수직레이저를 완전히 일치시키고, 방사선의 중심점을 갠트리와 콜리메

이터를 회전하여 찾은 후 완전히 일치된 수평, 수직레이저들을 방사선중심점으로 평행이동 시

키면 레이저 정렬이 마무리 됨. 이러한 정렬순서는 그림 26에 상세히 나타나 있음.

그림 26. 개발한 레이저 정렬기구를 이용한 레이저 정렬 순서도.

나) 레이저 정렬기구의 성능시험

① 정렬 재현성

- 정렬 재현성에 대한 시험방법은 아래 그림 27과 같이 기존 방법과 개발한 방법을 비교하여

이루어짐.

그림 27. 레이저 정렬재현성 측정 개념도: (상) 개발된 방법, (하) 기존방법

그림 28. 개발된 레이저 정렬기구의 정렬 재현성은 고정밀 수평계를 이용한 기존의 정렬방법

과 비교하여 더 우수함을 보여줌.

② 정렬 정확도 및 정렬 효율성

- 개발한 레이저 정렬기구의 정렬정확도는 절대 수평위치를 기준으로 치료실 내부의 좌우 벽면

에서 정렬값이 동일하게 측정되는지 여부에 의해 결정하였음.(b-a 값 비교)

- 정렬 효율성은 기존정렬 방법과 비교하여 정렬에 소요되는 시간을 비교하여 이루어짐.

그림 29. 레이저 정렬정확도 측정 개념도.

- 기존의 레이저 정렬방법은 수평계를 사용하는데 수평계의 정밀도가 미치는 영향도 함께 확인

하기 위해 저정밀 수평계와 고정밀 수평계가 각각 사용되었고 측정결과들은 표 3-5에서 볼

수 있음.

표 5. 기존 레이저 정렬방법과 개발된 방법의 정렬 정확도 및 정렬 효율성

비교.

③ 광원의 위치오차가 미치는 영향

- 방사선치료기 내부에 장착된 광원의 위치오차가 발생할 때 레이저 정렬에 미치는 영향을 기

존 방법과 개발된 방법으로 측정하여 비교하였음.

그림 30. 방사선 치료실 내부의 기하학적 배치.

표 6. 방사선 치료기 광원의 위치오차가 미치는 영향 비교. (가운데 열은 기존방법의 결과이고

오른쪽 열은 고안된 방법의 결과임)

④ 기존 레이저 정렬방법과 개발된 방법의 특징 및 장단점 비교

- 개발된 레이저 정렬방법이 기존방법에 비하여 레이저 정렬의 정확도 및 효율성 측면 모두에

서 우수함을 알 수 있음.

- 고안한 정렬기구는 환자를 대표하며, 레이저정렬의 절대적인 기준위치를 제공함.

- 레이저 정렬에 2개의 조준위치를 동시에 사용하므로 레이저의 올바른 위치에 대해 직접적인

확인과 정렬이 가능하고, 수평계 측정오차 및 광원의 위치오차 등에 의한 레이저 정렬오차를

최소화할 수 있음.

- 레이저 정렬의 기준으로 방사선을 이용하므로 가장 높은 정확도의 레이저 정렬이 이루어짐.

- 직관적인 레이저 정렬방법이어서 효율적이며, 특히 정렬소요시간을 최소화 할 수 있음.

- 고안된 레이저 정렬작업은 1인이 충분히 수행 가능함.

3. 연구결과 고찰 및 결론

3.1 국내․외 기술개발 현황

¡ 미국에서 사용중인 양성자치료 보상체

- 현재 세계 각국의 양성자 치료센터에서 사용중인 양성자치료 보상체는 플리스틱 재질로 밀링

머신에서 가공이 가능한 엔지니어링 왁스나 아크릴 소재의 보상체를 사용하고 있음. 아래 그림

31, 32, 33은 현재 미국에서 사용중인 두 종류의 양성자치료 보상체와 가공방식, 형태 등을 보

여줌.

- 고가의 플라스틱 소재를 지속적으로 소비하고 있으며 가공에 필요한 밀링머신은 고가일뿐만

아니라 별도의 밀링공간을 확보해야 하며, 소음과 다량의 가공 부산물들(절삭유, 가공찌꺼기,

밀링커터 등)이 발생하는 단점도 가지고 있음.

그림 31. Proton System사의 가공 이전 보상체 모재(상)와 밀링머신에서 왁스 및 아크릴 소재의

보상체를 가공하는 모습(하).

그림 32. 밀링머신에서 가공한 이후의 보상체 모습: 왁스소재(파란색 물질)와 아크릴소재(반투명

물질)를 주로 이용하고 있음.

그림 33. ㈜.decimal 에서 주문․생산되고 있는 여러 형태의 보상체와 차폐체. 환자의 윤곽을 보상

할 수 있는 보상체의 모습도 볼 수 있음.

¡ 3차원 프린터를 사용하여 제작된 보상체

- 삼성 서울병원에서는 3차원 프린터를 사용하여 양성자치료 보상체를 제작하였고 선량특성을

기존의 보상체와 비교 평가하였음.

(a)

(b)

그림 34. 3차원 프린터를 사용하여 제작된 양성자치료 보상체(a)와 기존 보상체(b)의 비교.

- 가공 정밀도는 3차원 프린터에서 적층하는 정도의 정밀도를 가지고 있으나 사용 소재와 제작

조건에 따라 양성자빔의 특성이 변화할 수 있고 제작에 소요되는 시간과 재료비용이 과도한

단점을 여전히 지니고 있음.

3.2 결론

¡ 현재 실시중인 대다수의 양성자치료는 산란방식을 이용하는 단일 또는 이중산란 빔 전달기술

을 사용하고 있음. 이러한 치료기술은 보상체와 차폐체의 사용이 필수적인데 보상체와 차폐체

는 환자별로 개별 제작되어야 할 뿐 아니라 동일한 환자라도 사용하는 양성자빔의 방향에 따

라 다른 보상체와 차폐체가 필요하게 됨.

¡ 특히 보상체는 제작에 걸리는 시간이 차폐체에 비해 매우 길고 환자별로 한시적인 사용만 가

능하여 재료비의 낭비가 많을 뿐 아니라 양성자 회전치료나 adaptive 치료와 같은 첨단 치료기

술을 적용하는데 제약이 많았음.

¡ 본 연구에서는 재사용 및 재조합이 가능한 새로운 양성자 치료 보상체와 조합 정확도를 검증

할 수 있는 검증시스템을 개발하였고, 환자의 치료계획시스템에서 만들어진 보상체 형상을 개

발된 조합형 보상체에 손쉽게 반영하도록 3차원 프린터를 이용한 조합용 거푸집 제작 시스템

도 마련하였음.

¡ 따라서 양성자치료 환자의 치료계획 수립에서부터 보상체 조합용 거푸집의 제작, 보상체 조합,

조합된 보상체의 정확도 검증에 이르기까지 치료실시 이전의 모든 준비과정들이 본 연구에 의

해 마련되었음.

¡ 개발된 조합형 보상체는 작은 크기의 종양뿐 아니라 대형 크기의 종양까지 치료할 수 있도록

현재 국립암센터 양성자치료실에서 사용하는 250mm 크기와 100mm 크기의 보상체에 맞추어

제작되었고, 각각 5 mm와 2.5 mm 크기의 엽을 가지고 있음.

¡ 보상체 조합의 정확도를 검증할 수 있는 조합검증시스템은 양성자치료실 내에 설치되어 있는

X선관과 디지털영상장치를 이용하고 있으며 그 유효성을 검증하였음.

¡ 보상체 조합의 정확도를 검증할 수 있는 조합검증시스템은 양성자치료실 내에 설치되어 있는

X선관과 디지털영상장치를 이용하고 있으며 그 유효성을 검증하였음.

¡ 실제 8명의 환자들(CSI: 1명, Brain: 5명, H&N: 1명, Prostate: 1명)에 대한 치료계획과 5 mm

또는 2.5 mm 조합형 보상체에서의 선량편차 및 기하학적 구조의 일치도를 비교 평가하여 임

상에서의 사용가능성과 제약조건을 확인하였고 평가체계를 수립하였음.제작되었고, 각각 5 mm

와 2.5 mm 크기의 엽을 가지고 있음

¡ 부가적으로 본 연구의 간접적인 성과물인 “방사선 치료용 레이저 정렬장치 및 정렬방법”은 양

성자 치료실에 설치되어 있는 환자 치료위치 조준용 레이저를 1 mm 이내의 정확도로 쉽고 빠

르게 정렬할 수 있는 기술이며, 양성자치료뿐 아니라 X선 치료에서도 적용이 가능하여 일정한

품질의 방사선 치료를 지속적으로 유지하는데 큰 도움이 됨.

¡ 방사선 치료용 레이저 정렬장치 관련 기술은 현재 국내 특허출원에 이어서 미국 특허출원까지

이루어진 상태이며 ㈜ 한빔테크놀러지와 기술이전에 대한 협의를 진행중임.

4. 연구성과 및 목표달성도

(1) 연구성과

가. 국내 및 국제 전문학술지 논문 게재 및 신청

논문명 저자(저자구분1)) 저널명(I.F.)

Year;Vol(No):Page 구분2) 지원과제번호3)

A reusable proton range compensator forproton therapy: a feasibility study

임영경(교신)

Int. J.RadiationOncologyBiol. Phys.(4.176)

2014.10게재신청

국외SCI 1210540

Comparative Analysis for the Effectsof Proton Beam Therapy, HelicalTomotherapy and RapidArcRadiotherapy on Irradiated LiverVolume in Hepatocellular Carcinoma

임영경(제1)

ActaOncologica(3.71)

2014.10게재신청

국외SCI 없음

1) 저자구분 : 교신, 제1, 공동2) 구분 : 국내, 국내 SCI, 국내 SCIE, 국외, 국외SCI, 국외SCIE 등3) 지원과제번호(Acknowledgement)- 과제번호를 연차 표시(-1, -2, -3 등)를 생략하고 7자리로 기재하고, 과제와 관련성은 있으나

불가피하게 Acknowledgement가 누락된 경우에는 ‘없음’으로 기재

나. 국내 및 국제 학술대회 논문 발표

1) 지역 : 국내, 국외

Patients

Proton-radiography-based qualityassurance of proton rangecompensator

임영경(공동)

Phys. Med.Biol(2.922)

2013;58:6511

국외SCI 없음

The volumetric change and dose-response relationship followinghypofractionated proton therapy forchordoma

임영경(공동)

ActaOncologica(3.71)

2013;53(4):563

국외SCI 없음

Secondary neutron dose measurementfor proton eye treatment using aneye snout with a borated neutronabsorber

임영경(공동)

RadiationOncology(2.36)

2013;8:182

국외SCI 없음

Radiochromic film based transitdosimetry for verification of dosedelivery with intensity modulatedradiotherapy

임영경(공동)

MedicalPhysics(3.012)

2013;40(2):021725

국외SCI 없음

논문명 저자 학술대회명 지역1) 지원과제번호

A reusable proton range compensatorand verificatio of its functionality

기대한 외 ASTRO 56, 2014 국외 1210540

Multi-layer assembled proton rangecompensator for cranio-spinalirradiation: a feasibility study

조광현 외 PTCOG 52, 2013 국외 1210540

Migration Evaluation of variousmarkers for proton

조광현 외 PTCOG 52, 2013 국외 1210540

Feasibility of Multi-layer assembledproton range compensator

조광현 외대한방사선종양학회,

2013국내 1210540

Dosimetric Evaluation of MultileafProton Range Compensator in PassiveScattering Mode

정광주 외 PTCOG 51, 2012 국외 1210540

다. 산업재산권

1) 구분 : 발명특허, 실용신안, 의장등록 등

라. 저 서

마. 연구성과의 정부정책 기여

바. 기타연구성과

(2) 목표달성도

가. 연구목표의 달성도

최종목표 연차별목표 달성내용 달성도(%)연차 최종

양성자치료에서환자의 종양 형태에 따라 양성자빔의 투과 깊이를 조절하는데필수적인 보상체는 환자별로 사용하는 빔 개수만큼 제작되어야하므로 재료비지출이 많고 제

1차년도

조합형 양성자치료보상체 개발 (I)

-양성자치료기 빔 인출노즐의 크기(Snout 250mm)에 따라 수동으로 조합 가능한 두 종류의 양성자치료 보상체 프로토타입 설계 및 제작

100 100보상체 자동조합시스템 개발 (I)

-보상체 자동조합시스템의 기초설계

능동형 양성자치료보상체 개발 (I)

-능동형 양성자치료 보상체의 개념설계 및 가능성 시험

2차년도 보상체 조합시스템 -치료계획 보상체의 정보 분석 및 75 100

구분1) 특허명 출원인 출원국 출원번호

발명특허APPARATUS AND METHOD FORLASER ALIGNMENT INRADIATION THERAPY

국립암센터 미국 14/483,466

발명특허방사선 치료용 레이저 정렬장치 및정렬방법

국립암센터 대한민국10-2014-00083

93

발명특허 입자방사선 치료용 가변형 보상체 국립암센터 대한민국10-2013-00990

36

저서명 저자 발행기관(발행국, 도시) 쪽수 Chapter 제목, 쪽수(공저일 경우)

보고서명 정부정책 기여내용

나. 평가의 착안점에 따른 목표달성도에 대한 자체평가

작에 소요되는시간도 상당히길어서 한꺼번에많은 환자를 치료하거나 응급환자를 신속히 치료하기 어려운데이러한 일련의문제점들을 해결함과 동시에 반영구적으로 재사용 가능한 양성자치료 보상체를개발하고 생물학적 유효성을 평가하며 보상체자동조합시스템을개발하고자 함.

개발변환 알고리즘 개발-보상체 조합시스템 H/W 및 S/W개발

양성자치료 보상체의유효성 평가

-보상체에 대한 물리적 평가시스템의구축-선량분포 측정을 통한 보상체의 물리적 성능평가

능동형 양성자치료보상체 시험품의 연구

-능동형 보상체 시험품 설계 및 제작-능동형 보상체의 시험품 구동시험

3차년도

조합형 양성자치료보상체 시스템 개발완료

-3차원프린팅을 위한 양성자치료보상체 정보변환 프로그램 제작-3차원 프린터를 이용한 보상체 조합시스템 구성

90 90조합된 양성자치료 보상체의 검증시스템 개발

-X선과 디지털영상장치를 이용한양성자치료 보상체 조합검증시스템 개발

능동형 양성자치료보상체 시험품 개발

-능동형 보상체 시험품의 상세설계및 제작-능동형 보상체 시험품의 동작성능시험

평가의 착안점 자 체 평 가

재사용 가능한 조합형 양성자치료

보상체 제작완료 여부

5 mm, 2.5 mm 크기의 엽을 가진 조합형 양성자치료 보상

체를 각각 제작 완료하였음.

능동형 양성자치료 보상체 시험품

개발 여부

실린더 물 기둥방식과 스폰지 방식을 각각 개념설계하고

기초실험을 통한 가능성을 확인하였음.

양성자치료 보상체 조합시스템

구축여부

석고틀을 이용한 보상체 조합시스템을 시험하였고, 이를 실

제 환자에 적용이 가능하도록 3차원 프린터를 이용하여 석

고틀과 동등한 역할의 거푸집을 출력하는 시스템을 구축하

였음.

조합된 양성자치료 보상체의 검증시

스템 개발

양성자치료실 내에 설치되어 있는 X선관과 디지털영상장치

를 이용하는 양성자치료 보상체 조합검증시스템을 개발하

고 유효성을 검증하였음.

양성자치료 보상체의 유효성 평가

완료 여부

실제 8명의 환자들(CSI: 1, Brain: 5, H&N: 1, Prostate: 1)

에 대한 치료계획과 5 mm 또는 2.5 mm 조합형 양성자치

료 보상체에서의 선량편차 및 기하학적 구조의 일치도를

비교 평가하였고 평가체계를 수립함.

5. 연구결과의 활용계획

(1) 연구종료 2년후 예상 연구성과

구 분 건 수 비 고

학술지 논문 게재 2Ÿ Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys. (4.176)Ÿ Acta Oncologica (3.71)

산업재산권 등록 3

Ÿ APPARATUS AND METHOD FOR LASERALIGNMENT IN RADIATIONTHERAPY(미국, 특허등록 예상)

Ÿ 입자방사선 치료용 가변형 보상체(대한민국, 특허등록 예상)

Ÿ 방사선 치료용 레이저 정렬장치 및 정렬방법(대한민국, 특허등록 예상)

기 타

Ÿ “방사선 치료용 레이저 정렬장치 및 정렬방법”에 대한 국내 특허 우선심사가 완료된 상태이며 조만간 특허등록이 결정될 예정임.

Ÿ 상기 특허에 대하여 국립암센터와 “한빔테크놀러지”사 간에 기술이전에 대한 협상이 진행중임.

(2) 연구성과의 활용계획

¡ 보상체 제작에 소요되는 높은 재료비 지출을 막고, 제작시간을 최소화하여 치료대기 환자수를

크게 줄이며 응급환자가 발생하여도 신속히 치료하는 것이 가능해짐. 이를 통해 치료환자 수

의 증가나 수익의 증가를 기대해 볼 수 있음.

¡ 보상체 제작에 소요되는 시간을 최소화함으로서 양성자치료의 빔 방향 숫자를 크게 늘릴 수

있고, 종양주변의 정상조직에 흡수되는 방사선량은 더욱 낮출 수 있으며, 양성자빔의 인체내

투과깊이에 대한 불확실성과 이로 인한 오차도 줄일 수 있음.

¡ 3차원 프린터를 이용해 빠른 시간에 보상체를 제작할 수 있어 환자의 치료일정을 단축할 수

있음. 또한 제작 장비인 3차원 프린터의 초기투자 비용이 적고 공간을 적게 차지하는 면을 고

려하면 다수의 제작 장비를 갖추어 많은 수의 환자용 보상체를 동시에 제작하여 많은 수의

치료 빔을 사용하는 양성자 회전치료를 가능하게 함.

¡ 치료 중인 환자의 종양 크기 등이 변했을 때 치료 중 새로운 보상체를 만들어야 하는 경우,

추가로 소요되는 시간을 줄일 수 있어 adaptive proton therapy 의 가능성을 높일 수 있음.

¡ 전 세계적으로 모든 양성자치료시설에서 사용되는 보상체를 대체할 수 있는 신개념의 보상체

제작기술 확보와 기술 이전에 따른 경제적 파급 효과 또한 클 것으로 기대됨.

¡ 이 기술이 성공적으로 개발될 경우 현재 사용중인 황동 차폐체를 대체할 수 있는 양성자 치

료를 위한 다엽콜리메이터를 개발할 수 있는 원천 기술이 확보되며 이는 양성자치료기를 이

용한 세기변조 방사선치료를 가능하게 할 수 있음.

¡ 현재 재사용 가능한 양성자치료 보상체에 대해 출원된 특허를 바탕으로 국내의 양성자치료와

관련한 업체와 기술의 완성도 향상과 기술이전 및 제품화에 대한 계획을 수립하고 논의할 예

정임.

¡ 또한 본 연구의 파생기술인 방사선치료용 레이저 정렬장치 기술에 대하여 국내 방사선 치료

기기 업체인 ‘㈜한빔테크놀로지’와 국립암센터 간에 기술이전에 관한 협의를 진행하고 있으며

계약조건은 선급기술료는 0.5-1억원 수준이고, 선급기술료에 따라 경상기술료는 매출액의

5-10%를 지급하는 것으로 협상을 진행중임.

6. 참고문헌

1. Wingate CL, Archambeau JO, Koehler AM, et al. Proton penetration and control in

nonhomogeneous phantoms. Med Phys 1977;4:198-201.

2. Urie M, Goitein M, Wagner M. Compensating for heterogeneities in proton radiation

therapy. Phys Med Biol 1984;29:553-566.

3. Slater JD, Yonemoto LT, Rossi CJ Jr., et al. Conformal proton therapy for prostate

carcinoma. Int J Radiat Oncol Biol Phys 1998;42:299-304.

4. Zhao Q, Wu H, Das I. Quality assurance of proton compensators. In: Long M, editor. World

Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering May 26-31, 2012. Beijing, China:

Berlin Heidelberg; Springer; 2013. p. 1719-1722.

5. Yoon M, Kim JS, Shin D, et al. Computerized tomography-based quality assurance tool for

proton range compensators. Med Phys 2008;35:3511-3517.

6. Park S, Jeong C, Kang DY, et al. Proton-Radiography-based quality assurance of proton

range compensator. Phys Med Biol 2013;58:6511-6523.

7. Low DA, Harms WB, Mutic S, et al. A technique for the quantitative evaluation of dose

distributions. Med Phys 1998;25:656-661.

8. Low DA, Dempsey JF. Evaluation of the gamma dose distribution comparison method. Med

Phys 2003;30:2455-2464.

9. Schuemann J, Dowdell S, Grassberger C, et al. Site-specific range uncertainties caused by

dose calculation algorithms for proton therapy, Phys. Med. Biol. 59 (2014) 4007-4031

10. Palta JR, Yeung DK. Precision and uncertainties in proton therapy for nonmoving targets.

Paganetti H, editor. Proton therapy physics. CRC Press; 2011. p. 413-434.

11. Seco J, Gu G, Marcelos T, et al. Proton Arc Reduces Range Uncertainty Effects and

Improves Conformality Compared With Photon Volumetric Modulated Arc Therapy in

Stereotactic Body Radiation Therapy for Non-Small Cell Lung Cancer. Int J Radiat Oncol Biol

Phys 2013;87:188-194.

12. Ra SJ, Jung MH, Kil JK, et al. Radio-activation Effect on a Polymer by Proton Beam

Irradiation. J Korean Phys Soc 2011;59:703-708.

7. 첨부서류