양성자 치료는 광자 빔 또는 전자 빔을 이용한 기존의 방사선 치료와 달리 주변의 정상 조직이나 핵심 장기에 전달되는 선량을 최소화하면서 치료 부위에 선량을 집중적으로 전달하는 것이 가능하다. 하지만, 선량 계산의 오차, 치료 중 장기의 움직임, 인체 구조의 변화, 환자 셋업의 오차 등으로 인해 실제 전달되는 선량분포와 계획된 분포와의 차이가 발생할 수 있다. 이러한 양성자분포의 불확실성으로 인해 치료 부위 주변에 추가적인 선량 마진을 적용되고 있으며, 이로 인해 양성자 선량 분포의 장점을 활용한 최적화된 치료가 수행 되지 못하고 있다. 양성자 치료의 장점을 충분히 활용하고 환자의 안전을 제고하기 위해서는 인체 내 양성자 빔의 분포를 실시간으로 확인하는 것이 중요하다. 이에, 양성자 빔과 매질과의 핵반응으로 인해 발생하는 즉발감마선의 분포를 측정하는 방법이 제안되었으며, 양성자 빔 모니터링에 대한 가능성이 실험적으로 검증되었다. 하지만 본 방법을 임상에 활용하기 위해서는 고 에너지의 감마선을 측정하기 위한 최적화된 검출 장치의 개발이 필요하다.
이를 위해 본 논문에서는 고 에너지의 감마선 방출 영상을 위한 새로운 영상 방법인 감마 버텍스 영상(gamma electron vertex imaging, GEVI)을 제안하였으며, 양성자 빔 모니터링 관점에서 영상 방법의 적용가능성을 실험적으로 검증하였다. GEVI 방법에서는 감마선의 발생 위치를 결정하기 위해 입사한 감마선을 전자 변환기를 이용하여 콤프턴 산란을 통해 전자로 변환시킨 후, 변환된 전자의 궤적과 에너지를 각각 두 대의 위치 민감형 검출기와 칼로리미터를 이용하여 측정한다.
GEVI 기반의 영상 장치를 구성하기 위해 먼저, 구성 검출기를 위한 신호처리 장치를 자체 개발하였다. 위치 민감형 검출기인 양면 실리콘 스트립 검출기(double-sided silicon strip detector)의 데이터 획득 채널을 줄이기 위해 다중화 기반의 신호 처리 장치를 개발하였으며, 플라스틱 검출기(칼로리미터)를 위해 자체 개발한 성형증폭기 모듈을 사용하였다. 제안된 영상 원리를 검증하기 위해, 구성검출기와 신호처리 장치를 이용하여 원리 검증 장치를 구성하였으며, 감마선 선원과 즉발감마선 측정 실험을 통해 본 연구에서 제안된 GEVI 방법이 고 에너지 감마선 영상에 활용될 수 있음을 확인하였다.
영상 원리 검증 결과를 바탕으로 양성자 빔 모니터링에 대한 가능성을 확인하기 위해 GEVI 영상 장치 시제품을 개발하였으며, 치료용 빔을 이용하여 성능을 테스트하였다. 정량적인 분석을 위해 측정된 즉발감마선 분포의 50%급락 구역의 위치를 결정하는 방법론을 적용하였다. 먼저, 80, 120과 150 MeV의 치료용 빔을 이용한 실험을 수행하였으며, 6.24 × 109 개의 양성자빔에 대해 영상 장치의 효율은 6.91 × 10-7, 9.04 × 10-7, 1.15 × 10-6이었다. 실험을 통해 빔의 비정과 선형적인 관계를 가진 급락 지점을 각각 0.91, 0.86, 0.72의 불확실성을 가지고 결정할 수 있음을 확인하였다. 다음으로 고정된 영상 장치를 이용하여 빔의 에너지를 변경해가며 발생하는 즉발감마선의 분포를 측정하였다. 본 실험을 바탕으로, 2차 함수의 교정 식을 이용하면 영상 장치를 이용하여 빔의 비정을 정확하게 결정할 수 있음을 확인하였다. 또한, 깊이 방향으로 10 cm 이내, 높이 방향으로 ± 3 cm 이내의 빔의 입사위치 변화를 개발된 장치를 이용하여 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 인체 내 양성자 빔의 분포를 확인하기 위해 새롭게 제안된 GEVI 방법 기반의 영상 장치를 개발하였으며, 그 성능을 실험적으로 확인하였다. 빔의 비정과 즉발감마선 분포의 급락 지점과의 연관성을 이용하여 개발된 장치를 통해 양성자 빔을 실시간으로 확인할 수 있었으며, 이를 바탕으로 장치의 임상 적용 가능성을 확인하였다. 또한 본 연구를 통해 확보한 저소음의 신호 처리 기술, 다채널 데이터 획득 기술 및 영상 재구성 기술 등은 향후 다양한 방사선 영상 장치 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.