의학물리학

본문글자크기
  • [Med Phys.] Medical X-band linear accelerator for high-precision radiotherapy

    [Med Phys.] Medical X-band linear accelerator for high-precision radiotherapy
    고정밀 방사선 치료를 위한 의료용 X-band 선형 가속기 개발 연구

    한국전기연구원 / 이용석, 김정일*

  • 출처
    Med Phys.
  • 등재일
    2021 Sep
  • 저널이슈번호
    48(9):5327-5342. doi: 10.1002/mp.15077. Epub 2021 Jul 28.
  • 내용

    바로가기  >

    이달의 방사선의학 연구자 바로가기 Click!

     

    Abstract
    Purpose: Recently, high-precision radiotherapy systems have been developed by integrating computerized tomography or magnetic resonance imaging to enhance the precision of radiotherapy. For integration with additional imaging systems in a limited space, miniaturization and weight reduction of the linear accelerator (linac) system have become important. The aim of this work is to develop a compact medical linac based on 9.3 GHz X-band RF technology instead of the S-band RF technology typically used in the radiotherapy field.

    Methods: The accelerating tube was designed by 3D finite-difference time-domain and particle-in-cell simulations because the frequency variation resulting from the structural parameters and processing errors is relatively sensitive to the operating performance of the X-band linac. Through the 3D simulation of the electric field distribution and beam dynamics process, we designed an accelerating tube to efficiently accelerate the electron beam and used a magnetron as the RF source to miniaturize the entire linac. In addition, a side-coupled structure was adopted to design a compact linac to reduce the RF power loss. To verify the performance of the linac, we developed a beam diagnostic system to analyze the electron beam characteristics and a quality assurance (QA) experimental environment including 3D lateral water phantoms to analyze the primary performance parameters (energy, dose rate, flatness, symmetry, and penumbra) The QA process was based on the standard protocols AAPM TG-51, 106, 142 and IAEA TRS-398.

    Results: The X-band linac has high shunt impedance and electric field strength. Therefore, even though the length of the accelerating tube is 37 cm, the linac could accelerate an electron beam to more than 6 MeV and produce a beam current of more than 90 mA. The transmission ratio is measured to be approximately 30% ~ 40% when the electron gun operates in the constant emission region. The percent depth dose ratio at the measured depths of 10 and 20 cm was approximately 0.572, so we verified that the photon beam energy was matched to approximately 6 MV. The maximum dose rate was measured as 820 cGy/min when the source-to-skin distance was 80 cm. The symmetry was smaller than the QA standard and the flatness had a higher than standard value due to the flattening filter-free beam characteristics. In the case of the penumbra, it was not sufficiently steep compared to commercial equipment, but it could be compensated by improving additional devices such as multileaf collimator and jaw.

    Conclusions: A 9.3 GHz X-band medical linac was developed for high-precision radiotherapy. Since a more precise design and machining process are required for X-band RF technology, this linac was developed by performing a 3D simulation and ultraprecision machining. The X-band linac has a short length and a compact volume, but it can generate a validated therapeutic beam. Therefore, it has more flexibility to be coupled with imaging systems such as CT or MRI and can reduce the bore size of the gantry. In addition, the weight reduction can improve the mechanical stiffness of the unit and reduce the mechanical load.

     

     설명: 본 그림은 의료용 X-Band 선형가속기의 3차원 구조와 단면도를 보여주고 있습니다. 전자총은 왼쪽 플랜지에 연결되고, X선 타겟은 오른쪽 플랜지에 연결되는 구조입니다. 마그네트론에서 발생된 RF 에너지는 중심에 위치하는 커플러를 통해 가속관 내부로 전송되고, RF 에너지를 이용하여 전자빔이 가속되는 구조입니다.

     

     

    Affiliations

    Yong-Seok Lee 1 2, Sanghoon Kim 1, Geun-Ju Kim 1, Jeong-Hun Lee 1, Insoo S Kim 1, Jung-Il Kim 1, Ki Young Shin 3, Yunji Seol 4 5, Taegeon Oh 4 5, Na-Young An 4 5, Jaehyeon Lee 4 5, Jinho Hwang 6, Youngah Oh 5, Young-Nam Kang 5 7
    1Electro-Medical Device Research Center, Korea Electrotechnology Research Institute, Ansan, Republic of Korea.
    2PLS-II Accelerator Division, Pohang Accelerator Laboratory, Pohang, Republic of Korea.
    3Russia Science Seoul Center, Korea Electrotechnology Research Institute, Ansan, Republic of Korea.
    4Department of Biomedicine & Health Sciences, The Catholic University of Korea, Seoul, Republic of Korea.
    5Advanced Institute for Radiation Fusion Medical Technology, College of Medicine, The Catholic University of Korea, Seoul, Republic of Korea.
    6Department of Radiation Oncology, Incheon St. Mary's Hospital, College of Medicine, The Catholic University of Korea, Incheon, Republic of Korea.
    7Department of Radiation Oncology, Seoul St. Mary's Hospital, College of Medicine, The Catholic University of Korea, Seoul, Republic of Korea.

  • 키워드
    X-band RF technology; X-ray production; high-precision radiotherapy; linear accelerator.
  • 연구소개
    본 논문은 선형가속기 기반 방사선 암치료기를 위한 X-Band 주파수 대역에서 구동되는 의료용 선형가속기 기술 개발에 관한 내용입니다. 의료용 X-Band 선형가속기 기술 개발을 위해 3차원 다중물리 설계 기술, X-Band 공진기 제작 및 특성평가 기술, 가속 전자빔 및 X선 특성평가 기술, 3차원 Water Phantom 기술 등을 개발하였습니다.
  • 편집위원

    임상에서적용 가능한 소형 선형 가속기 개발 현황에 대한 논문으로서 보다 작거나 융향형의 치료기 개발에 유용할 것으로 사료됩니다.

    2021-10-19 15:11:40

  • 편집위원2

    소형화, 경량화에 대한 연구가 활발하게 이루어 지고 있습니다. 기존 S-band에서 X-ban로 주파수를 증가시켜 소형화에 대한 연구가 잘 이루어 졌습니다.
    미국 S. Kutsaev, “Sub-MeV ultra-compact linac for radioactive isotope source replacement, non-destructive testing, security and medical applications”
    X-ray tube 방식의 의료용 가속기 80cm 정도의 크기를 가지나 Ku-band linac으로 개발한 경우 20 cm 정도로 소형화를 달성할수있음
    최근 소형화를 통한 사업화 연구가 활발하므로, 관련 연구 주제에 대한 연구가 필요함

    2021-10-19 15:12:02

  • 편집위원3

    본 논문은 Med Phy. 9월호 표지 논문으로 선정되었으며, 선형가속기의 핵심 기술인 전자빔을 가속하는 고출력 가속관을 초정밀 가공 기술(nm급)과 정밀 공차로 개발한 것으로 본 연구에서 Side Coupling 방식의 구동주파수 X-Band 9.3 GHz RF 기술로 소형ㆍ경량화에 성공하였다. 또한 X-선 에너지와 선량률 등 물리적인 인자들이 국제기준에 부합되는 우수한 임상적 유용성을 입증하여 향후 환자맞춤형 영상유도방사선치료와 같은 고정밀 방사선치료기의 발전과 진화가 기대된다고 사료됩니다.

    2021-10-19 15:12:28

  • 편집위원4

    국내에서 X밴드 선형가속기를 디자인하고 제작한 결과에 대한 논문으로 이제 국내에서도 의료용 선형가속기를 제작할 수 있는 기술을 확보하였다는 데 있어 매우 기쁘며, 특히 이 논문이 표지논문으로 선정된 것으로 들었는데 더욱 기쁜 일이 아닐 수 없다.

    2021-11-03 09:38:51

  • 덧글달기
    덧글달기
       IP : 44.200.237.112

    등록