양성자 치료에서는 양성자 빔이 비정의 끝에서 에너지를 최대로 전달하는 브래그 피크(Bragg peak) 특성으로 종양에는 선량을 집중적으로 전달하면서도 주변 정상 조직이나 손상 위험 장기에는 선량을 최소화하는 것이 가능하다. 양성자 치료의 질과 환자의 안전을 위해서는 빔 비정을 치료 부위에 정확히 위치시키는 것이 매우 중요하지만, 양성자 빔 비정은 여러 원인으로 인한 불확실성을 가진다. 이러한 불확실성으로 인해 실제 양성자 치료에서는 불필요한 치료 마진이 적용되고 치료 방향을 제한하는 등 양성자 치료의 장점이 충분히 활용되지 못하는 실정이다. 따라서 양성자 치료의 효과와 환자의 안전을 제고하기 위해서는 양성자 비정의 불확실성을 최소화하는 것이 필요하다.
양성자 비정의 불확실성을 최소화하는 방법으로 양성자 빔과 매질의 핵반응으로 발생하는 즉발감마선의 분포를 통해 빔 비정을 검증하는 즉발감마 영상법이 활발히 연구되고 있다. 감마 버텍스 영상(gamma electron vertex imaging, GEVI)은 즉발감마선이 전자 변환기에서 콤프턴 산란하여 발생하는 전자의 궤적을 두 대의 호도스코프와 칼로리미터로 추적하여 즉발감마선 발생 지점을 결정하는 즉발감마 영상법으로, 그 원리검증용 장치가 개발되어 단일 펜슬 양성자 빔에서 성능이 검증된 바 있다. 하지만, 펜슬 빔 스캐닝 양성자 치료에서는 영상 장치의 성능적 한계가 존재했으며, 본 연구에서는 개선된 성능의 프로토타입 GEVI 장치를 개발하고 펜슬 빔 스캐닝 양성자 치료에서의 빔 비정 변화를 모니터링하는 연구를 수행하였다.
프로토타입 GEVI 장치에서는 원리검증용 장치에 비해 다음과 같은 측면에서 성능 개선이 이루어졌다. 첫째, 호도스코프 신호 처리에서 성형 증폭기의 성형 시간과 데이터 획득 장치의 피크 감지 시간을 최적화하였다. 둘째, 양성자 치료기에서 발생하는 빔 방출 신호를 이용해 스폿별로 자동 데이터 획득이 가능한 데이터 획득 장치를 개발하였다. 셋째, 저잡음의 전치증폭단과 전자기적 간섭의 효과적 차폐가 가능한 장치 케이스를 개발하였다. 이를 통해 프로토타입 GEVI 장치에서는 호도스코프에서의 동시 반응 개수, 유효한 즉발감마선 발생 지점 결정 비율, 그리고 영상 효율에서 원리검증용 장치보다 더 향상된 성능을 보였다.
펜슬 빔 스캐닝 양성자 치료에서의 비정 변화를 프로토타입 GEVI 장치로 모니터링하는 성능 평가 실험을 다양한 조건에서 수행하였으며, 그 결과 펜슬 빔 스캐닝 양성자 빔의 비정 변화를 높은 정확도와 정밀도로 추정할 수 있음을 확인하였다. 특히, 비정 변화 추정에서의 정밀도는 양성자 치료에서 적용되는 치료 마진보다 현저히 낮았으며, 이를 통해 GEVI 장치를 양성자 치료 모니터링 장치로 활용한다면 치료 마진을 상당 수준 감소시켜 치료의 질과 환자의 안전을 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있었다. 뿐만 아니라, GEVI 장치의 성능은 환자 치료에서 유일하게 성능을 평가해보았고 즉발감마 영상 연구를 선도하고 있는 장치인 knife-edge slit camera의 성능과 비슷하거나 더 좋은 수준을 보였다. GEVI 장치가 knife-edge slit camera에 비해 더 작고 가벼운 장치 구성이 가능하다는 점, 2차원 영상 획득, 넒은 영상 영역 등을 함께 고려한다면, GEVI 장치가 knife-edge slit camera보다 더 좋은 성능과 장점을 바탕으로 양성자 치료를 검증할 수 있을 것으로 보인다.
본 연구를 통해서 GEVI 장치로 펜슬 빔 스캐닝 양성자 치료를 정확하고 정밀하게 모니터링할 수 있음을 검증하였다. 향후 GEVI가 양성자 치료에서 양성자 빔 비정을 검증하기 위한 즉발감마 영상 연구를 선도할 수 있을 것으로 기대한다.

The Bragg peak characteristic of proton beams provides a highly steep dose penumbra at the end of the beam range. Based on the distal dose penumbra, a highly conformal proton dose can be produced, thereby enhancing the tumor control while sparing the normal tissues. This conformal dose should be located accurately on the target volume to guarantee the treatment quality and the patient safety, which is often challenging due mainly to the beam range uncertainty. To exploit the clinical benefit of proton therapy, therefore, in vivo range verification is greatly desirable.
For in vivo range verification, prompt gamma imaging has been pursued as promising due to the direct and instantaneous identification of the range. In this context, a prompt gamma imaging method, called gamma electron vertex imaging (GEVI), was proposed in which the prompt gammas Compton-scattered in an electron converter, and the Compton-recoiled electrons are subsequently traced to estimate the prompt gamma vertices by two hodoscopes and a calorimeter. The proof-of-principle GEVI system showed a remarkable performance for single proton pencil beams but had a few limitations for scanning proton pencil beams. In the present study, the prototype GEVI system was developed with improved performance for scanning proton pencil beam, and the range shift in pencil beam scanning proton therapy was monitored using the prototype system.
The performance of the GEVI system was enhanced compared to the proof-of-principle system as follow. First, in signal processing of the hodoscope, the shaping time was minimized, and the peak detection time was optimized. Second, a data acquisition system based on the beam-on signals was developed for automated spot-wise measurement of prompt gamma distributions. Third, a preamplifier system and a mechanical case were developed to reduce the systematic noise and the electromagnetic interference. The prototype GEVI system, consequently, showed better performance in the multiple interactions of the hodoscopes, the proportion of true prompt gamma vertices, and the imaging efficiencies.
Range shifts in pencil beam scanning proton therapy were monitored using the GEVI system, and the monitoring results were very encouraging in which the range shifts for the various cases were estimated with high accuracy and precision. Particularly, the precisions were remarkably smaller than the typical distal safety margin, thereby indicating the margin can be reduced by the treatment monitoring with the GEVI system. Furthermore, the performance of the GEVI system was comparable with the reference system which is the most leading and the only prompt gamma imaging system evaluated its performance in the clinical practice: the knife-edge slit camera. Given that the GEVI system can be configured more compactly and lightly with two-dimensional images and a large field-of-view, it is expected that the GEVI system can achieve several competitive advantages over the knife-edge slit camera.
Based on the present study, the GEVI system was demonstrated to be one of the promising and well-suited prompt gamma imaging system for in vivo range verification in proton therapy. It is expected that the GEVI system can lead the research for the prompt gamma imaging in the future.