초록 ▼

□ 최종 목표
암치료기용 레이저 가속기반 다중입자빔 발생을 위한 핵심원천기술 개발 및 전임상 연구를 통한 암치료 계획 프로토콜 구축

□ 연구 내용
◉ 고출력 레이저 성능 개선 및 최적화 기술
1년: 분산 최적화를 통한 펄스 대조비 향상 기술 개발
- 색소 필터를 활용한 레이저 펄스 대조비 향상(⁷:1 @500 ps → ⁹:1 @500 ps)
- 분산 보정 최적화를 통한 펄스폭 개선 (28.8 fs → 26 fs)
- Double CPA 기반 레이저

□ 최종 목표
암치료기용 레이저 가속기반 다중입자빔 발생을 위한 핵심원천기술 개발 및 전임상 연구를 통한 암치료 계획 프로토콜 구축

□ 연구 내용
◉ 고출력 레이저 성능 개선 및 최적화 기술
1년: 분산 최적화를 통한 펄스 대조비 향상 기술 개발
- 색소 필터를 활용한 레이저 펄스 대조비 향상(⁷:1 @500 ps → ⁹:1 @500 ps)
- 분산 보정 최적화를 통한 펄스폭 개선 (28.8 fs → 26 fs)
- Double CPA 기반 레이저 시스템 구축
- XPW 장치 기능 성능 시험(출력 스펙트럼, 빔 프로파일 특성 평가)
2년: XPW를 활용한 펄스 대조비 향상 기술 개발
- XPW + Double CPA 결합한 레이저 시스템 구축
- 레이저 분산 최적화를 통한 펄스 최적화 및 압축기 효율 향상
- 레이저 펄스 대조비 향상 (1011:1 @ 100 ps)
- 능동 거울을 활용한 레이저 빔 최적화 (Strehl ratio ~ 0.8)
- ASE (amplified spontaneous emission) 분석 연구
3년: 양성자 발생을 위한 레이저 최적화 기술 개발
- 입자빔 발생의 방해요소인 ASE 및 선행펄스의 제어 기술 개발
- 수차 보정된 반사형 빔 확대기 설계/제작
- 1 PW 레이저 시스템 구성 (30J 펌프 레이저 설치)
4년: 레이저 성능 향상 및 안정화 기술 개발
- 펄스 압축기 성능 최적화 (LabVIEW 기반 회절격자 제어 시스템 구축)
- 진공 상태에서 정밀한 분산 제어 기능 확보
5년: 양성자 + 전자 발생을 위한 고출력 레이저 빔 라인 구축
- 양성자용 빔 라인: 직경 200 mm, 200 TW 이상
- 전자용 빔 라인: 직경 100 mm, 100 TW 이하

◉ 다중입자빔 발생 챔버 디자인 및 제어 시스템 업그레이드
1년: 다중입자빔 발생용 통합 챔버 설계
- 기존 양성자 발생 챔버에 전자빔 발생 기능을 추가한 통합 챔버 설계안 도출
- 양성자 발생 챔버 내 빔 진단용 모터 제어 프로그램 자체 개발 [Labview 기반 시스템]
- 타겟 모니터링 시스템 하드웨어 업그레이드
2년: 양성자 발생용 타겟 챔버 시스템 개선 I
- 양성자 발생 챔버내 광전송 광학계 제어 프로그램 개발 [기존 C 언어 기반에서 Labview기반 시스템으로 개발 완료]
- 양성자 발생 챔버 내 광전송 하드웨어 전면 교체 및 신규 제어 프로그램 제작
- OAP mirror 모니터링 및 정밀 타겟 포지셔닝 시스템 개발
3년: 양성자 발생용 타겟 챔버 시스템 개선 II
- Labview 기반 신규 빔 진단 프로그램 구축
- 신규 타겟 모니터링 시스템 및 대구경 거울 모니터링 view ports 구축
- 양성자 발생 챔버 내 모터제어 시스템 및 운영 프로그램 개선
4년: 다중입자빔 발생 통합 챔버 및 개별 제어 시스템 구축
- 다중입자빔 발생 챔버 설계 변경
- 스위칭 챔버 개발 (양성자 ←→ 전자 1분 이내 변경 가능)
- 레이저 빔 진단 시스템 업그레이드 (타겟챔버와 가장 가까운 위치에서 측정)
- 빔 프로파일 측정 하드웨어 업그레이드
5년: 통합 제어 프로그램 개발
- 활용도가 낮은 프로그램은 독립적으로 운영
- CCD 셔터 제어 + 빔 프로파일링 + ND 필터 제어 + 빔 모니터링 제어 통합

◉ 양성자 발생 기술 개발
1년: 양성자 발생량 향상을 위한 타겟 기술 개발
- 물분자의 분극 특성을 이용한 타겟 (밀도 조절형 양성자 가속)
- 이온 임플란테이션 방식의 고밀도 양성자 발생용 박막소자
- 나노구조색을 이용한 레이저 빔 집속 타겟
2년: 레이저 플라즈마 PIC 전산모사 방법론 개발
- 양성자 에너지 증가 조건 분석
- ASE를 고려한 타겟 조건 분석
3년: 양성자 에너지 측정 기술 개발
- TNSA 기전에 적합한 TPS (Thomson Parabola Spectrometer) 장치 구성
- 에너지 30 MeV 이상의 양성자 가속 확인 (2 μm Al 타겟)
- 나노구조체에 의한 self-focusing 효과 입증
4년: 비임상 세포실험용 양성자 집속 장치 개발 I
- 양성자 빔 집속장치 개념 설계
- 양성자 빔 집속용 4중 극자 자석 설계 제작
5년: 비임상 세포실험용 양성자 집속 장치 개발 II
- 양성자 빔 집속장치 공학 설계
- 양성자 빔 집속장치 제작
. 3개의 4중 극자 자석으로 구성, 에너지 구간: 5 - 20 MeV
- 양성자 에너지 측정 장치 개선 (에너지 측정 범위: 0.5 - 100 MeV)

◉ 전자빔 에너지 향상을 위한 밀도 증가 구조 연구
1년 : 균일 밀도 기체 표적 생성을 위한 노즐 설계/제작 및 이를 이용한 전자빔 가속
- 긴 플라즈마 생성을 위한 사각 노즐 제작
2년 : 밀도 중가 구조 생성 및 이를 이용한 전자빔 에너지 향상
- 노즐 각도 변경이 가능한 마운트를 사용하여 각도 조정 → 밀도 증가량 조정
3년 : 밀도 증가 구조 최적화를 통한 에너지 향상
- 균일한 플라즈마 생성을 위한 기존 밸브 바디 교체형 노즐 재설계/제작
- 동일한 중심 밀도에서 밀도 증가 구조 최적화
4년 : 밀도 증가 구조 최적화(노즐 각도, 이온종류)
- 268 MeV 전자 가속

◉ 전자빔의 전하량 향상을 위한 이온화 주입법 연구
1년 : 높은 원자번호를 가지는 질소를 이용한 전자빔 가속
- 레이저 강도 조정을 통한 이온화에 의한 레이저 변형 최소화
2년 : 질소와 헬륨 혼합 기체를 이용한 이온화 주입 전자빔 가속
- 질소 함량에 따른 전자빔의 특성 최적화
3년 : 낮은 밀도의 플라즈마를 이용한 이온화 주입
- 낮은 함량(1%)의 질소 혼합기체와 레이저 사양 조정을 통한 전하량 및 안정화 향상
4년 : 플라즈마 내 이온 종류 최적화
- CO2, N2 활용, 혼합비 최적화 (5% N2에서 최대 전하)

◉ 전자빔 사양 향상 및 안정화를 위한 고출력 레이저 최적화
1년 : 레이저의 주 증폭기 최적화를 통해 증폭율 30% 향상
- 레이저의 위치 안정성 향상을 위해 재생 증폭기 반복률 조성 (레이저 위치 안정도 2배향상)
2년 : Spatial Light Modulator를 이용하여 레이저 펄스 최적화
- 주 증폭기 입력 자동 조정을 통해 장시간 동안 레이저 안정성 향상
- 수직변위 4배 향상
3년 : 에너지 향상을 위해 재생 증폭기와 주 증폭기에 2-pass 증폭기 설치
- 에너지 50% 향상
4년 : 전자빔 안정화를 위한 레이저 최적화
- 집속 광학계 수정, 펄스폭 제어 : 위치 안정도 향상
5년 : 실시간 레이저 확인을 위한 SSA 설치 및 IFAC를 이용한 펄스 프론트 틸트 문제해결
- 전자빔 조사 중 레이저 상태 변화 감지 및 실시간 최적화
- 미세한 정렬 오류로 발생하는 레이저 펄스 프론트 기울어짐을 IFAC로 측정/최적화 (전자빔 위치 안정도 2배 향상)
* SSA: single-shot autocorrleator, IFAC: inverted field autocorrelator

◉ 반복율 향상을 위한 플라즈마 조정
4년 : 기체 표적의 진공문제로 인한 반복률 제한 극복 연구
- 고체 발생 플라즈마 대체를 위한 특성 분석

◉ 고에너지 전자빔 조사를 위한 시스템 구축
4년 : 1단계 전자빔 조사시 발생한 진공 window 영향 최소화
- 얇은 막으로 구성된 전자빔 인출구 설계/제작/진공도 확인
- 제작된 인출구를 통한 전자빔 조사(전자빔 산란 최소화)
5년 : 전자빔 조사 위치 실시간 확인을 위한 시스템 구축
- 조사되는 전자빔의 위치 실시간 확인 가능한 전자빔 위치 확인 시스템 구축
- 의학 특성을 위한 전자빔 조사시 전자빔 위치 확인에 활용

◉ 양성자/전자 융합빔 시스템
3년 : 융합빔용 전자빔 시스템 설계
- 융합빔을 위한 전자빔 가속 시스템 설계
4년 : 융합빔용 전자빔 시스템 제작/설치
- 융합빔을 위한 전자빔 가속 시스템 제작 및 ETRI 설치
5년 : 융합빔용 전자빔 시스템 수정 및 광학계 설계/제작/설치
- 융합빔을 위한 전자빔 가속 시스템에 사용되는 광학계 설계/제작/설치

◉ 레이저 가속기반 다중입자빔을 이용한 의학적 선량평가 및 치료 프로토콜 구축
1년 : 암치료기용 다중입자빔의 생물학적 특성 분석 방법 확립
- 선형 에너지(lineal energy) 측정을 위한 micro-dosimetry 기초실험
. 극초단 펄스형 입자빔의 물/세포 팬텀에서의 LET (linear energy transfer) 및 선량분포계산
- 극초단 펄스형 양성자빔에서 에너지별 선량분포 및 LET에 대한 전산모사 연구
- Micro-dosimtery 측정을 통한 의학적 선량예측 개념도 설계
. 입자빔의 선량분포 특성 분석 및 치료선량 최적화 연구
- PIC (prticle-in-cell) 전산모사를 통한 펄스형 입자빔의 발생 계산
- 발생된 극초단 펄스형 입자빔의 특성 계산
- 극초단 펄스형 입자빔의 SOBP (spread out Bragg peak) 발생 최적화 연구
- 세포팬텀에서의 선량분포에 대한 전산모사 수행
. 양성자빔 및 전자빔의 선량분포 특성 분석 및 치료선량 최적화 연구
- 빔 기본 정보 (에너지 분포, 선량 분포 등) 전산모사
. 암치료기용 융합빔의 선량분포 특성 분석
. 암치료기용 융합빔의 요구범위 분석
- 병변 부위에 따른 치료선량 요구범위 및 선량 프로토콜 분석
2년 : 선형에너지 측정을 통한 RBE (raido-biological effectiveness) 산출기술 확보
- 중입자 빔 실험을 통한 생물학적 효과비 측정방법 구축
- 전임상실험을 통한 RBE 측정 프로토콜 구축
- 중입자치료 broad beam 파라미터별 RBE 측정 DB 구축 (기초연구)
. 선량적 특성 확인 및 전임상 실험을 위한 물리/생물 팬텀 제작
- 고에너지 입자빔에 대한 선량계 선정 및 측정 방법 확립
3년 : 양성자 및 전자빔에 대한 물리적/생물학적 연구
- 한국전자통신연구원 양성자빔을 이용한 물리학적 특성 파악
- 한국전기연구원 전자빔을 이용한 물리학적 특성 연구 (유리선량계/필름/이온전리함)
- 비임상 실험 (세포 및 동물실험)을 통한 RBE 측정
⇒ 레이저 가속 기반 극초단 펄스형 입자빔의 치료가능성 확인
4년 : 입자빔 선량 특성 확인 및 비임상 실험을 위한 물리/생물 범용 phantom 제작
- 양성자 빔 측정을 위한 적절한 이온전리함 조사.
- 전자빔 측정을 통한 물리적 특성 확인 및 분석 방법 개선
. 깊이별 빔 모양에 대한 추세 제공 : 입자빔 개발에 필요한 정보 피드백.
. 영상 중심점 알고리즘 적용을 통한 선량분포 맵 제공: 시각적 영상에 대한 피드백.
. 깊이 별 흡수선량에 대한 정보 제공 : 세포실험 시 세포배양 플라스크 (T-flask) 배치에대한 가이드로 활용.
. 방사선 치료 생물학적 효과성 개념 설계 및 실험 프로토콜 정립
5년 : 극초단 펄스 입자빔의 물리적 측정방법 개선
- 선량 측정 툴 (EBT3 Film, 이온전리함)를 통한 빔 선형성 제공: 실시간 선량 정보 제공.
- EBT3 동축 측정법을 통한 선량분포 맵 제공: 보다 정확한 물리적 정보 제공.
- 깊이 별 흡수선량에 대한 정보 제공 : 세포실험 시 T-flask 배치에 대한 가이드로 활용.
. 세포실험 및 의학적 치료효과 DB 구축
- 극초단 펄스 입자빔에서 암세포를 이용한 RBE 측정

□ 연구성과
-특허-
◉ 다중입자빔 발생을 위한 ‘레이저 가속기반 양성자빔과 전자빔 복합 암치료장치’ 국내 특허등록 [제10-1829298호]
◉ 나노초 동안 물성 변화, 또는 상전이 현상에 대한 시간분해능 기법을 이용한 UV 반사도측정, 전자선 회절 측정, X-선 회절 분석 및 양성자선 이미징을 동시에 다중으로 얻을 수있는 ‘레이저 이온 가속 방법을 이용한 동시 다중 시분해능 이미징 방법 및 장치’특허 출원 (미국 16/842487, 한국 2019-0041649)
◉ 레이저로 가속한 양성자를 전해질에 직접 투사시켜 연료전지를 제조하는 ‘레이저 이온 가속 방법을 이용한 연료전지 제조 방법’특허 출원 (2019-0165521)
◉ 고출력 레이저를 이용하여 대면적으로 마이크로 LED를 lift-off 시키는 ‘마이크로 발광다이오드 리프트 오프 장치’특허 출원 (2019-0162927)
◉ 펄스 압축과정에서 발생하는 회절격자의 손상을 실시간으로 관찰하기 위한‘펄스 압축기모니터링 장치 및 방법’ 특허 출원 (2019-0039808)
-논문-
◉ 초고출력 레이저 시스템의 광스위치로 활용가능한 탄소 구조체 (그래핀) 기반의 포화흡수체 개발 → 중적외선 대역의 고체레이저에서도 활용 가능함을 확인 (OE 24, 20774 (2016): IF 3.356 Journal)
◉ 초고출력 레이저 시스템의 광스위치로 활용가능한 탄소 구조체 (탄소나노튜브) 기반의 포화흡수체 개발 → 550 MHz 고반복율 고체레이저에서도 활용 가능함을 확인 (COL 16,061404 (2018) : IF 1.948 Journal)
◉ 긴 플라즈마를 생성할 수 있는 노즐을 사용하여 전자빔 가속 → 낮은 강도의 레이저를 사용하여도 전자빔을 가속할 수 있음을 확인 (JKPS 71, 256 (2017))
◉ 플라즈마에 의한 레이저 펄스 변형을 통한 전자빔 가속 → 레이저 변형으로 인해 질소의 이온화 주입이 가능하며 이때 주어진 레이저에서 최대 에너지를 얻을 수 있는 플라즈마 밀도가 존재 함을 보임(PPCF 60, 034008 (2018) : IF 3.0 Journal)
◉ 밀도 전이 구조를 이용한 전자 주입을 위해 shock 구조 생성 → 전자 가속을 위한 플라즈마의 밀도와 전자 주입을 위한 밀도 전이 구조 위치를 실험적으로 측정하여 최적화 가능성 확인(JKPS 73, 561 (2018))
◉ 고에너지 전자빔의 의학 특성 측정 결과 및 조사 시스템에 사용된 전자빔의 특성 확인(JKPS 77, 399 (2020))
◉ 두개 내 종양 환자에 대한 동적 등각 아크 기반 방사선 수술을 위해 선량품질계수를 사용한 치료 계획 평가 → 최적화된 계획 조건을 통해 실제 계획과 치료에 앞서 다양한 DCA 상태를 평가할 수 있음을 제시. (JKPS 69(12) 1834 (2016) : IF 0.630 Journal)
◉ 급격한 밀도 전이 방식을 사용하여 레이저 가속 기반 VHEE 빔에서 플라즈마 밀도 효과의 선량 특성 → 스케일 길이 및 밀도 전이 비율에 따른 세포 내 영향을 전산모사함으로서 급격한 밀도 전이 구조의 타당성 제시 (JKPS 70(1) 66 (2017) : IF 0.630 Journal)
◉ 교모세포종 치료를 위한 종양 치료 증감제로서 Sorafenib의 기능적 생물학적 활성에 대한연구 → 교모세포종에서의 Sorafenib 효과에 대해 제시 (IJMS 19(11) 3684 (2018) : IF 4.556 Journal)
◉ 대장암에서 종양 치료 증감제로서 5-fluorouracil 연구 → 대장암에서의 5-fluorouracil 효과에 대해 제시 (Cancers 11(12) 1999 (2019) : IF 6.126 Journal)
◉ 두경부 암 사례에서 ‘b-spine & Optical-Flow 알고리즘’을 사용한 변형 영상 정합 유용성 평가에 관한 연구 → 전자빔 및 양성자를 포함한 방사선 치료 시 변형 영상 정합에 대한 활용성을 제시 (JKPS 76(3) 194 (2020) : IF 0.630 Journal)
◉ SOI 검출기를 이용한 탄소빔 스캐닝 조사에 대한 RBE 예측에 관한 연구 → SOI 측정기를 이용한 선 에너지 측정과 분석을 통해 물리/생물학적 모델링을 통해 RBE를 산출 방법확립 (Medical Physics 47(2) 363 (2020) : IF 3.317 Journal)
◉ TiO₂와 SiO₂를 이용한 HgI₂의 안정화에 관한 연구 → 금속산화물을 이용한 방사선 검출 소재의 특성 안정화 (방사선에 대한 신호는 유지하면서 잡음을 저감) 결과 제시 (JKPS76(6) 484 (2020) : IF 0.630 Journal)
◉ 방사선영상에서 광학적 특성 개선을 위하여 페를린 무반사층이 구현된 Gd2O2S:Tb 형광 스크린 개발에 관한 연구 → 무반사 코팅을 적용하여 해상도는 유지하면서 노출 효율을 높이는 기초 연구 제시 (JKPS 76(11) 1041 (2020) : IF 0.630 Journal)
◉ 국내 의료용 선형가속기에 대한 원격 선량 측정 감사 → 유리선량계와 방사선감광필름 판독 시스템을 사용하여 의료용 선형가속기에 대한 선량 계측 절차 확립 (Progress in Medical Physics 31(2) 20 (2020) : KCI Journal)
◉ 방사선영상에서 광학적 특성을 개선하기 위한 거울 코팅된 형광 스크린 개발에 관한 연구
→ 거울 코팅을 적용하여 해상도는 유지하면서 노출 효율을 높이는 기초 연구 수행 (JNN 20(11) 6985 (2020) : IF 1.093 Journal)

(출처 : 요약문 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출서 ... 3
• 최종보고서 ... 4
• 요약문 ... 5
• 목차 ... 10
• 1. 연구개발 과제의 개요 ... 11
• 1-1. 연구개발 기술 개요 ... 11
• 1-2. 환경분석 및 기술 현황 ... 12
• 1-3. 연구개발 목표 ... 19
• 2. 연구수행 내용 및 결과 ... 22
• 2-1. 총괄 연구내용 ... 22
• 2-2. 세부과제별 연구내용 및 결과 ... 34
• 세부과제 1 레이저 기반 양성자빔 발생 기술개발 ... 34
• 세부과제 2 레이저 가속기반 전자빔 발생 기술 개발 ... 136
• 세부과제 3 레이저 가속기반 다중입자빔을 이용한 의학적 선량평가 및 치료 프로토콜 구축 ... 207
• 2-3. 연구개발 성과 ... 291
• 3. 연구개발성과의 활용 계획 ... 301
• 4. 융합연구 생태계 조성 ... 304
• 4-1. 융합연구 추진체계 ... 304
• 4-2. 융합연구 추진실적 ... 306
• 4-3. 위험 관리 및 효과 ... 309
• 5. 연구비 구성 및 집행실적 ... 312
• 5-1. 연구비 구성 ... 312
• 5-2. 연구비 집행실적 ... 314
• 6. 참고문헌 ... 316
• 끝페이지 ... 317