방사선 치료 물리학

 

방사선치료 물리학


서 태 석

 

서 론

방사선치료는 질병의 치료에 방사선을 사용하는 것으로 X선, 감마선과 같은 파동 형태의 방사선, 또는 전자선, 양성자선과 같은 입자형태의 방사선을 이용하여 암과 같은 악성 질병의 성장을 지연시키거나 멈추게 하고 더 나아가서는 파괴시킨다.

 

방사선치료는 또한 양성종양이나, 내과적인 질병, 일부 피부질환 치료에도 이용된다. 최근 들어서는 머리를 절개하는 신경외과적 수술방식을 대신하여 머리를 절개하지 않은 채 한번에 다량의 방사선을 조사하여 치료하는 방사선수술방법이 개발되고 있다.

 

방사선치료의 역할은 일부 암이나 질병을 낫게 하여 생명을 구할 수 있으며, 종양의 성장을 멎게 하여 치료에 대한 준비기간을 갖게 한다. 생명을 연장시키며, 출혈을 멎게 하거나 통증을 경감시켜 고통을 감소시킨다. 이중에서도 악성 종양인 암을 치료하는 방사선의 역할이 중요하다고 할 수 있다.

 

우리 나라의 암 등록 통계를 보면 1994년 한해동안 60,810명이 등록되었으며 발생순서는 위암, 폐암, 간암, 자궁경부암의 순이였다. 남성은 위(26 %), 폐(16 %), 간(14 %), 대장 및 직장(8 %), 식도(3 %), 방광(3 %), 조혈기관(3 %)의 순이며, 여성은 자궁경부(23 %), 위(16 %), 유방(12 %), 대장 및 직장(8 %), 폐(6 %), 갑상선(5 %), 간(5 %)의 순이다.

 

악성종양을 치료하는 방법은 수술, 방사선, 화학, 면역, 온열요법 등이 있으며 단독, 또는 병합치료방법도 구사하고 있다. 치료 목적에 따라 적극적치료(cure)와 대증적치료(palliation)로 구분하며 질병의 상태에 따라 치료방법을 적절히 선택한다. 각각의 치료 특징은 표 1과 같다. 방사선치료는 종양이 크고 침습이 되어 수술이 어렵거나 수술로 제거하지 못한 국한 부위를 치료(local/regional control)하는 수단으로 모든 암환자의 60 %가 방사선치료를 받고 있다.

 

특히 수술과 함께 수술 전 방사선치료시 종양의 크기를 줄여서 수술을 쉽게 하며, 또한 수술 후에 방사선치료를 시행하여 남아있는 악성 세포를 파괴한다. 방사선치료는 때로 화학요법이나, 호르몬 치료와 함께 실시하여 좋은 효과를 얻는다. 방사선치료가 주가 되는 영역은 두경부종양, 부인과종양, 폐 및 식도종양 등 크게 3가지로 나눌 수 있으며 이들 각 종양의 치료에서 방사선치료는 단독 혹은 수술 및 항암요법 (화학용법)과 병행하여 적용된다.

 

 

표 1. 악성종양의 치료방법 및 특징.

분류	치료방법	작용기전	효과	부작용	기타
국소요법	수술요법	-	-	있다	관혈적
	방사선요법	일정	종양과 정상 조직의 성질에 의존		비관혈적
전신요법	화학요법	약제에 따라 다르다
	면역요법			-

 

본 기고에서는 방사선치료의 역사를 알아보고, 방사선치료시 적용되는 물리적, 생물학적 기전과, 방사선치료기 종류, 방사선치료과정 등에 대해 소개하고, 끝으로 21세기 첨단과학으로 무장될 방사선치료 미래를 예측하고자 한다.

 

방사선치료의 역사

방사선치료는 의학과 물리학의 상호발전과 교류로부터 탄생될 수 있었던 의학 분야의 하나이다. 물리학과 의학의 관계는 이미 2000년 이전 에집트에서부터 시작되었으며 19세기 전반까지는 한사람의 우수한 과학자가 물리학자이며 또한 의학자로서의 역할을 하였다. 그 후 각각의 분야가 전문화됨으로서 한사람이 의학자와 물리학자를 겸하기는 곤란하게 되었으며 전문화된 각각의 물리학자와 의학자의 상호 협력이 필요하게 되었다. 특히, 지금으로부터 100년 전의 방사선물리학자들의 역할은 방사선진단 및 방사선치료분야를 태동케 하는 직접적인 계기가 되었다.

 

1895년 엑스선을 발견한 뢴트겐이나(Roentgen, 1845­1923), 1896년 우라늄 광에서 새로운 방사선이 방출되는 현상을 발견한 베크렐(Becquerel, 1852­1908), 그리고 1898년에 라디움을 발견한 큐리부인(Curie, 1867­1934) 등은 순수한 물리학자로서 그들이 발견한 방사선은 의학의 발전은 물론, 방사선의학물리의 새로운 영역을 태동시키는 데 크게 공헌하였다. 특히, 뢴트겐은 그가 발견한 엑스선을 의학에 제공함으로서 인간의 질병을 퇴치시키고 인류의 건강을 향상시키는 데 크게 공헌하였다.

 

 

뢴트겐이 발견한 엑스선은 물질의 근본인 원자, 분자의 실체를 규명하는 물리학의 최대 발명의 하나이며 의학분야의 질병 진단, 치료에 필요 불가결한 도구로 사용되고 있다. 시간이 경과할수록 엑스선의 의학적 사용분야가 광범위하여졌고 중요하였기 때문에 의료기관에서는 엑스선 의료분야를 세분하여 진단방사선, 치료방사선 분야로 나누어 발전되었다. 또한 큐리부인은 발견한 라듐을 피부암에 직접 조사시킴으로서 인류최초로 방사성동위원소를 방사선치료 분야에 적용시키는 계기를 마련하였다.

 

방사선치료 분야는 방사선의 에너지를 높여서 체내 깊숙이 위치한 악성종양 등을 치료하는 분야로서 초창기의 낮은 에너지의 엑스선과 피부근처에 접촉하여 조사시키는 방사성동위원소로서는 효율적인 치료가 불가능하였으며, 또한 방사선으로부터 발생되는 인체장해에 대한 충분한 자료가 없어 치료의 효과를 얻기가 어려웠다.

 

초창기의 새로운 방사선발견 이후, 꾸준한 연구가 계속되면서, 고에너지의 엑스선을 발생시킬 수 있는 첨단 가속기의 개발과 방사성동위원소를 체내 깊숙이 집어넣어 치료할 수 있는 근접치료(Brachytherapy)로의 발전은 방사선의 생물학적 영향에 대한 연구와 더불어 방사선치료학문을 정립하는 직접적인 계기가 되었다. 방사선치료 분야에 응용되는 방사선의 종류도 다양해져, 피부치료에 효과가 좋은 전자선, 암세포살상의 효과가 큰 중입자선 (양성자, 중성자 등)이 치료에 응용되게 되었다.

 

최근 들어서는 의공학의 발전에 힘입어 첨단의료영상을 이용하여 삼차원 치료계획을 수행할 수 있으며, 최적의 치료효과를 높이기 위하여 방사선수술(Radiosurgery), 입체조형치료 치료(conformal therapy), 로봇을 이용한 방사선수술(cyber knife) 등의 최첨단 치료방법들이 개발되고 있다.

 

 

 

방사선치료 기전

 

 

방사선치료는 어떻게 인체에 작용하는가. 신체의 병든 부위의 세포가 눈에 보이지 않는 고강도의 방사선을 받아서 파괴되거나 죽는다. 방사선에 노출된 모든 세포는 모두 영향을 받지만 정상세포나 건강한 세포는 병든 세포보다 금방 회복된다.

 

 

몇몇 종류의 암세포는 방사선에 매우 약하다. 만약 방사선에 얻어맞게 되면 이 세포들은 더 이상 분열할 수 없게 되고 세포 수는 감소하게 된다. 암세포보다는 정상세포가 방사선에 의한 회복능력이 좋아 일정한 기간에 걸쳐서 여러 번에 나누어 치료하는 것이 많은 양의 방사선을 한번에 주는 것보다, 정상세포에 대한 손상이 적다.

 

방사선치료의 기본적인 개념은 병변에 적당량 이상의 방사선을 조사하여 암세포를 죽이면서 주위 정상조직에는 방사선조사를 최소화하여 방사선에 의한 부작용을 막는 것이다. 방사선치료시 적절한 방사선량을 결정함에 있어서 병변의 치유확률 곡선과 주위 정상조직의 장애확율곡선과의 상호관계를 고려하는 것이 중요하다(그림 1). 일반적으로 주위 정상조직의 장애가 생길 확률이 5­10 % 정도까지의 방사선량을 초과하게 되면 장애 발생률이 급격히 증가하기 때문에 가능한 한 이를 초과하지 않도록 한다. 심각한 장애를 가능한 적게 하면서 최대의 치유율을 얻기 위한 최적의 치료선량은 그림 1의 점선의 정점에 해당하는 점이 될 것이다. 이 최적의 치료선량을 투여했을 때 병변이 어느 정도 치유될 것인가는 병변의 조직학적 소견, 진행정도 등에 따라 결정된다.

 

방사선치료장비

방사선치료장비는 방사선을 이용하여 직접 환자를 치료하는 방사선치료기기와 방사선치료를 원활히 수행하기 위한 방사선치료 보조기기로 나눌 수가 있으며, 방사선치료기기는 다시 환자 외부에서 방사선을 조사하는 원격 방사선치료기기와 방사선원을 환자 몸 안에 주입시켜 치료하는 근접치료기기로 나눌 수 있다.

1. 원격 방사선치료기기

(1) 저에너지 X선 치료기

135­250 kVp 정도의 X선 장치를 이용하여 주로 피부질환에 이용하거나, 일부 심부 치료에 이용된 기기로서 현재는 거의 사용되지 않으며 Co-60나 저에너지 선형가속기로 대치되었다.

 

(2) 코발트 60 원격치료장치

방사성동위원소인 Co-60에서 발생되는 감마선을 이용한다. Co-60는 5.3년의 반감기를 갖고 있으며 에너지는 1.17과 1.33 MeV의 감마선을 방출하며 이는 3 MV X선의 평균에너지와 비슷하다. Co-60는 점차 사용이 감소하고 있는 장치이다.

 

(3) 선형가속기

방사선치료의 표준장비로서 2차대전 중 microwave 발전에 힘입어 1950년 Stanford Hospital에 처음 설치하였고 이후 계속적인 개발이 진행되어왔다. X선 및 전자선 출력이 가능하며 다양한 에너지 높은 선량율, beam 모양을 조정할 수 있다. 일반적으로 치료용으로 사용되는 X선 에너지 범위는 4­15 MV, 전자선은 6­20 MeV이다. 그림 2는 의료용 선형가속기 구조를 나타내며 그림 3은 상품화된 Varian사의 의료용 선형가속기를 이용하여 환자를 치료하는 과정을 보여주고 있다. 최근에는 컴퓨터로 제어되는 최신형 선형가속기가 개발되고 첨단 보조장치들이 개발되어 부작용 없이 완치율을 높일 수 있는 3차원 입체 조형치료가 가능하게 되었다.

 

(4) 입자 가속기

최근 중성자선, 양성자선 등 새로운 방사선의 이용이 시도되고 있다. 중성자와 양성자는 모두 싸이크로트론 가속기에서 만들어지며(그림 4) Relative Biological Effectiveness(RBE)가 높고 Oxygen Enhancement Ratio(OER)이 낮아서 효과적이며, 그림 5는 Co-60로부터 나오는 감마선, 선형가속기로부터 발생되는 X-선, 싸이크로트론에 의해 가속되는 입자선의 인체 내 깊이에 다른 선량분포를 보여주고 있다. 그림에서 보는 바와 같이, 양성자 및 중입자는 Bragg Peak를 이용한 치료를 수행할 수 있어 정상조직에는 선량을 최소화하고 심부에 위치한 종양에만 집중하여 선량이 분포될 수 있도록 한다.

 

 

 

 

 

 

2. 근접치료기

 

표 2. 근접치료용 방사성 동위원소.

	Half-Life	Energy of -ray (MeV)	K factor(at 1cm) (R/hr/mCi)	Half-Value Layer
Ra-226 Co-60 Cs-137 Ir-192	1600y 5.26y 30y 74.2d	0.047-2.45 1.17, 1.33 0.662 0.136-1.07	8.25 13.0 3.26 5.0	1.3 1.2 0.65 0.3
Rn-222 Au-198 I-125 Pd-103	3.82d 2.7d 60.2d 16.9d	0.047-2.45 0.412 0.027-0.04 0.021	8.35 2.32 1.23	1.3 0.33 0.003 0.001

 

 

조직 내 암부위에 방사선원을 직접 삽입 또는 접속시켜서 치료하는 장치로서 종양 부위에 고선량을 조사할 수 있다. 근접치료기 선원으로 이용되는 핵종은 과거에는 Ra-226가 주로 이용되었으나 방사선 에너지가 높고 투과력이 커서 의료진의 피폭이 큰 단점이었다. 최근에는 Cs-137, Ir-192 등이 주로 이용되고 있으며 표 2는 방사선치료 분야에서 이용되는 핵종의 성질을 나타낸다.

 

 

방사선원 주입방법은 주로 강내 조사 또는 조직 내 조사로 나눈다. 강내조사는 상악동, 상인두, 비강, 식도, 기관지, 담도, 직장, 방광, 자궁, 질 등에 사용되며, 대표적인 것이 자궁경부암 강내 조사이다 (그림 6(c)). 조직 내 조사는 혀, 구강, 외음부, 질, 연부조직 등의 종양에 삽입한다(그림 6(a), (b), (d)). 최근에는 시술자의 피폭을 최소한으로 줄이기 위해 우선 병변에 기구를 삽입한 후 모형 선원으로 위치를 확인하고 선원을 삽입하는 방법이 사용되고 있다.

 

 

이와 같은 치료기기를 후장진(afterloading)이라 하며, 이 방법에 의하여 시술자의 피폭이 현저하게 감소되었다. 더 나아가, 선원의 삽입, 제거를 컴퓨터로 원격 조정하는 것이 원격 조작 후 장진법(remote afterloading)이며 최근에는 근접치료의 주종을 이루게 되었다.

3. 방사선치료 보조기기

(1) 엑스선 조준장치 (X-ray Simulator)

치료전 방사선치료장치와 동일한 기하학적 조건으로 저에너지 방사선을 투사한 영상을 통해 표적물을 정확히 선정하고, 조사면, 조사각도, 표적물의 깊이 및 차폐부위 등을 결정할 수 있도록 만들어진 치료 모의촬영기이다.

 

 

장치구성은 X-ray tube, Mobil Gantry, Mobile Table, Fluoro Image Intensifying Tube, Laser, Monitor 등이며, 방사선치료장치와의 차이점은 방사선 에너지가 진단용으로서 낮으며, Gantry가 상하 이동이 가능하며, 영상장치가 부착되어 있고, 조사면 내 Recticle 및 스케일러가 비치되어있다 (그림 7).

 

 

(2) 전산화 단층조준장치 (CT Simulator)

방사선수술(Radiosurgery), 방사선 입체조형치료(3D Conformal Therapy), 변조선 회전입체치료(Tomotherapy), 로버트 제어 치료(Robotic therapy) 등의 방사선 입체치료 방법은 반드시 치료장치 및 치료계획장치 등과 상호 회로망(PACS)이 연결된 전산화 단층 조준장치가 필요하다.

 

전산화 단층조준장치는 CT 스캐너, X-ray simulator, laser projector와 imaging processing computer로 구성되어 있으며 평면 및 입체영상, 다면 다각 영상재구성(Digital Reconstructed Radiography, DRR) 및 체표면, 종양 및 주요장기의 입체윤곽과 크기, 모양, 위치 등을 정확히 조준하며 직접 전산화 방사선치료계획장치, 선형가속기, 다엽 콜리메이터, 이온 영상장치에 연결, 상호정보를 교환할 수 있도록 구성되어 있다 (그림 7).

 

(3) 다엽 콜리메이터 (Multileaf collimator, MLC)

종양의 모양과 크기는 다양하며 방사선은 종양을 중심으로 다방면 입체각에서 종양모양과 똑같은 모양의 조사형으로 조사해야 종양만을 치료할 수 있다. 이와 같이 짧은 시간에 여러 모양의 조사형을 구사할 수 있고 조사형 이외에는 완전 차폐될 수 있는 장치가 필요하며 가장 적당한 장치 중의 하나가 바로 MLC이다. MLC는 컴퓨터 컨트롤에 의하여 Stepping Motor를 움직이게 하며 MLC의 각도와 방향에 따라 최적 조건을 취할 수 있다.

 

(4) 이온 영상 장치(Electronic Portal Image Device, EPID)

고에너지 방사선은 투과력이 강하고 Build up 현상이 있으며 뼈와 조직에 대한 상호작용이 같기 때문에 필름이나 진단용 형광판 등으로는 확인하기가 매우 어렵다. 이와 같은 결점을 보완하고 방사선치료 중에도 조사위치를 확인할 수 있으며 영상평가에 자료를 줄 수 있는 EPID가 개발되어 임상에 사용되고 있다 (그림 7).

 

(5) 방사선치료계획장치(Radiation Treatment Planning, RTP)

방사선치료의 기본 원칙은 암조직에 대하여는 최적의 방사선량을 조사하고 주위에 정상조직에는 최소의 방사선량을 조사하여 암치료 효과를 높이면서 정상조직에서 발생 가능한 급성 및 만성 방사선 반응 또는 합병증 뿐 아니라 2차적 종양 발생의 극소화를 목표로 한다. 이를 위하여, 적절한 선량계획을 수립할 수 있는 전산화 방사선치료계획장치가 필수적이다 (그림 7). 최근 들어 CT나 MRI 등의 진단기기의 발달에 힘입어 삼차원 영상을 기초로 한 3차원 치료계획이 기존의 2차원 치료계획을 대치하고 있다.

 

 

방사선치료과정

방사선치료의 목적은 종양을 치유시키고 삶의 질을 높이기 위하여 종양에는 치유될 수 있는 최적의 방사선량을 조사하면서 주위 건강조직에는 방사선 손상을 최소로 줄이는 데 있다. 방사선은 그 효력이 조직 내 상당기간 영향을 주며 축적되기 때문에 철저한 표준선량계측(Radiation Therapy Detector, RTD), 치료계획, 방사선조사, 치료확인, 정도관리가 필수적이며 의사, 물리학자, 기사, 간호사들이 각각 특수한 임무를 수행해야 하는 협력체로 이루어져야 한다.

 

1. 방사선치료 선택

악성종양에 대한 방사선치료 여부를 결정하는 데는 우선 종양의 종류, 발생부위, 전위범위, 병리학적 소견 등에 따라 병기별(staging, TNM), 치료목적(Cure, Palliation), 치료방법(prescribed dose, fraction size, TDF) 등을 계획한다.

 

2. 종양의 위치와 크기 결정

방사선 조준장치(X-ray simulator, CT-simulator)를 이용하여 방사선치료장치에서 조사되는 것과 똑같은 기하학적 물리학적 조건에서 해부학적 영상을 촬영하고 종양과 주위 주요장기의 위치, 모양, 크기를 2차 또는 3차원 영상으로 표시한다.

 

3. 방사선치료계획

방사선종류, 에너지, 방사선조사 방향과 조사면, 다중조사 등을 최대한 조율하여 종양에 정확하고 균일하며, 최적의 방사선량을 조사하면서 주위 건강조직의 방사선피폭이 최소가 되도록 계획하여야 하며 이를 시행하기 위해서는 방사선 치료계획 컴퓨터가 필수적이다. 인체 내의 방사선분포를 2차원적 또는 3차원적으로 구현하여 이상적인 선량분포가 이루어졌는가를 컴퓨터 화면을 통하여 확인한다 (그림 8).

 

4. 치료보조기구의 제작 및 이용

다중집속, 회전치료, 전신방사선조사, 수술 중 방사선조사, 방사선수술, 입체조형치료, 변조치료, 근접치료 등 다양한 치료방법과 치료계획에 따라 최적 치료를 위한 보조기구를 해당 환자에 알맞게 제작 이용한다. 보조기구로서는 환자 중요기관을 차폐할 수 있는 블록제작, 환자를 고정시키는 환자고정기구, 균등한 선량을 주기 위한 wedge 및 compensator, 방사선수술 및 수술 중 방사선조사에 사용되는 특수 콜리메이터 등이 있다.

 

5. 방사선조사 확인

방사선치료 전 방사선 속에서 보아서 건강조직을 피하면서 치료하고자 하는 종양부위만 확실히 조사되는지 확인하여야 한다. 과거에는 확인사진 (Port 필름)을 이용하였으며 최근에는 이온영상장치를 이용하여 온라인 개념으로 방사선치료조사부위를 확인할 수 있을 뿐만 아니라 비디오 촬영 및 영상후처리 등을 이용하여 우수한 화질을 얻을 수 있다. 방사선 전신조사, 유동장기치료, 임산부치료 등에서는 신체 관심부분의 정확한 선량과 불균일한 종양 내의 선량확인을 위하여 TLD, multi-diode 등을 이용하여 확인한다.

 

6. 방사선조사치료

치료계획대로 방사선원을 이용하여 치료를 수행한다. 사용되는 방사선원은 Co-60, Ir-192 등의 방사성 동위원소와 선형가속기, 베타트론, 마이크로트론, 싸이클로트론 등 가속기에 의한 감마선, 엑스선(4­25 MV), 전자선(6­30 MeV), 중성자선, 양성자선, 헬륨선 등을 이용하며 방사선치료계획과 꼭 같은 조건하에서 방사선을 조사하며 조사 중 환자감시 확인 등을 수행한다.

 

7. 방사선치료평가

방사선치료가 계획에서부터 시행 확인까지 전 과정에 대한 진료평가(quality control)를 시행하여야 하며 환자의 건강상태, 종양의 소실 정도 등을 주기적으로 평가(follow-up)하여야 한다.

 

방사선치료의 미래

방사선물리학은 방사선치료에 중요한 역할을 하고 있으며 의공학과 더불어 방사선물리학의 발달이 방사선치료의 수준을 현저히 변화시킴을 알 수 있다. 이러한 첨단 과학의 발전은 21세기 방사선치료의 방법을 새롭게 변모시키고, 인류의 삶의 질과 양을 전적으로 변화시킬 것이며, 환자의 특별요구에 따라 치료가 시행되는 효율적 치료가 수행될 것이다. 이 장에서는 21세기 미래의 방사선치료와 관련한 기술적 변화 및 방향에 대해서 제시하고자 한다.

 

현재 북아메리카 통계에 의하면 모든 사망원인의 24 %가 암에 의한 것으로 보고되고 있으며 매년 4.5 %씩 증가하고 있다. 이러한 추세라면 2010년까지는 암환자가 지금의 두배에 달하게 된다. 방사선암치료는 암치료의 중요 방법 중에 하나로서 최근 들어 분자생물학적 기전에 의한 유전자치료법이 등장하고 있으나, 이러한 방법이 실용화되는 데는 아직도 수십 년이 경과해야 실용화가 가능할 것으로 기대하고 있다. 따라서 방사선에 의한 암치료는 다음 세기에도 중요한 암치료법으로서 큰 역할을 하게 될 것이다.

 

21세기에는 방사선안전 및 과학의 발전에 따라 방사선치료기기 사용에 변화가 있을 것이다. 먼저 방사선방어 개념인 ALARA 개념이 확대되면서 방사성동위원소를 이용한 원격방사선치료기기는 점차 사라지게 되며, 방사선 안전성이 보장되는 선형가속기가 주 치료기기로 자리잡게 될 것이다.

 

 

암치료에 보다 효율적인 입자빔 가속기는 고가로서 경제성을 고려할 때 집중적인 투자가 자제될 전망이다. 따라서 입자빔이 갖고있는 효과적인 선량분포를 만들어 내기 위하여 선형가속기에 빔형태 변형(beam shapers), 빔선속 변조(beam intensity modulators), 방사선수술 보조장치(stereotactic device) 등을 부착하는 효율적인 치료방법이 주종을 이룰 것이다. 한편 근접치료 역시 방사선피폭이 우려되는 수동식 방법보다는 원격제어에 의한 자동 근접치료기(remote afterloading)가 사용되며 iodine-125, palladium-103, ytterbium-169 등 저에너지 방사성 동위원소가 실용화되고, 방사성동위원소 대신 X-선 바늘 및 소형 X선 tube를 이용한 근접치료방법도 개발되어 사용될 것이다.

 

 X-선 optics 및 radiosensitizer를 이용한 laser photodynamic therapy가 미래의 근접치료기를 대치하게 될 전망이다. 방사선치료시 환자에 조사되는 방사선량 분포를 정확히 예측하기 위하여 영상을 이용한 3차원 환자 모델이 치료계획시 사용되고 있다.

 

그러나 실제 환자는 호흡 및 혈류의 흐름에 따라 움직이게 되며 따라서 정확한 환자의 위치 및 선량을 예측하기 위해서는 시간에 따른 4차원 환자 모델이 사용되어야 한다. 미래에는 컴퓨터 에니메이션에 접목시켜 움직이는 장기를 디스플레이하고 움직이는 위치를 비선형좌표변환 방식에 따라 보정하여 정확한 선량계산이 이루어지도록 개발될 것이다. 환자의 암 부위도 세계 방사선측정기구(ICRU)의 권고에 따라 종양부위만(gross tumor)이 아니라, 그 주위 미세 확장부위(microscopic extensions), 환자 움직임에 의한 오차 등을 포함하여 치료하는 것이 상용화 될 것이다.

 

정확한 선량계획을 수행하고 최적의 방사선조사를 얻기 위해서는 장기, 빔의 위치, 선량분포 등을 동시에 관찰하여 종양부위만 방사선이 집중될 수 있도록 빔의 위치 및 크기 등의 조합을 선택하여야 한다. 현재로서는 시행착오 방법에 의하여 여러 번에 걸쳐서 치료계획을 수행하는데 미래에는 최적의 선량분포를 제공할 수 있는 최적의 빔 조건을 컴퓨터가 찾아낼 수 있는 소프트웨어가 개발될 것이다.

 

 

또한 선량분포를 계산하기 위해서는 인체 조직의 차이에 의한 선량변화를 보정할 수 있는 정확한 선량계산 알고리즘이 필요하다. 과거에 이용된 실험식으로부터 최근에는 Superposition 원리에 근거한 선량모델이 개발되고 있으며 궁극적으로 미래에는 정확한 선량을 모사할 수 있는 몬테카르로 모사에 의한 선량 알고리즘이 선량계산의 주종을 이루게 될 것이다.

 

인체에 조사되는 선량분포를 확인하기 위하여 인체 유사조직 팬톰을 이용하며 컴퓨터에 의해 계획된 대로 선량 분포가 이루어지는가 확인하기 위하여 종래에는 물팬톰, 다이오드, TLD, 필름 등에 조사하여 판독하였으나 미래에는 MRI나 광 CT 스캔 하에 radio- polymerizable gels을 이용하여 영상과 선량간의 상관관계에 의하여 선량분포를 영상의 변화와 연계하여 확인하는 측정시스템이 개발될 것이다.

 

아마도 미래에는 단순히 물리적 선량분포만 가지고는 치료효과를 판단하는 데 충분하지 못할 것이다. 궁극적으로 임상생물학(clinical biology) 관점에서 치료성적을 추적하는 작업이 보편화되며, 실제 환자의 생검을 통한 치료효과 및 방사선에 의한 부작용을 예측할 수 있는 통계학적 평가법이 이용될 것이다.

 

물리적 선량의 정량화 방법 중에 하나인 선량-체적 히스토그램(dose volume histogram: DVH)도 미래에는 종양치료율(tumor control probability) 및 정상조직 부작용율(normal tissue complications)과 연계하여 사용될 것이다. 방사선치료 물리학에서는 입체조형치료(conformal therapy)와 이와 관련된 치료 및 진단 장비의 개발 및 이용에 관한 연구가 주목받는 분야로 등장하게 될 것이다.

 

 Multi-leaf collimator는 미래에는 선형가속기의 표준 부착장비가 될 것이며, 최근 개발 중에 있는 컴퓨터 조정 하에 위치를 바꿔가며 빔선속을 변조하여 치료하는 Tomotherapy 등은 미래 방사선치료의 한 큰 틀이 될 것이다 (그림 9). 이와 맞물려 기존의 선형가속기형 방사선수술방법들도 개선되며 더 나아가 로봇 조정 하에 환자 전신의 임의의 암을 찾아내어 치료하는 사이버나이프(cyber knife) 등도 미래 방사선치료를 주도하게 될 것이다.

 

 

 

 

결 론

지금부터 수십년 동안 치료방법 및 새로운 첨단기술이 개발되어왔다. 그러나 그러한 기술이 암치료의 획기적인 결과를 가져오기 위해선 의사, 의학 물리학자, 방사선기사들의 전문적 지식이 조화롭게 협력되어야 한다. 또한 치료계획에서, 치료과정은 물론, 질병의 세포적, 분자생물학적 특성 등의 깊은 지식을 필요로 한다.

 

그러나 고도의 기술이 항시 모든 암치료에 있어서 이득만 있는 것은 아니다. 효율적인 치료 및 비용효과를 위해서는 기존의 2D 치료계획과 같이 간단한 과정의 치료도 새로운 기술과 함께 병행되어야 한다. 앞으로 미래에는 전 대중에 대한 통계적 치료효과보다는 환자 개인을 위하여 방사선치료 분야에서 취할 수 있는 모든 기술과 노력을 동원해야 한다.

 

앞으로도 영상을 이용한 진단과 방사선치료를 연계하여 효율적으로 치료효과를 높일 수 있는 새로운 형태의 방사선치료 분야가 기대되며, 이러한 역할에 선두에 설 의학물리 분야가 계속적으로 연구 개발되어 물리학자들의 전문적 지식이 암을 정복하는 데 선도적 역할을 하여야 할 것이다.

서태석 박사는 미국 후로리다 대학교(University of Florida) 공과대학 원자핵공학과에서 의학     물리학으로 공학 박사 학위를 취득한 후 가톨릭대학교 의과학원 생체의공학연구소장, 가톨릭     대학교 의과대학 방사선과 학교실 부교수, 가톨릭대학교 의과대학 의공학교실 부교수로 재직     중이 다. (suhsanta@cmc.cuk.ac.kr)

한국 물리학 역사자료실 개설 현재 저희 홍보잡지에는 [물리학의 선구자]라는 난이 연재되고 있습니다. 당분간 본 난에서는 주로 외국인들을 중심으로 국제 최고 수준의 물리학의 선구자들을 계속 조망할 계획입니다.   본 난이 개설된 뒤로 몇몇 관심 있는 분들로부터 왜 한국인은 다루지 않느냐는 문의가 들어왔습니다. 따라서 저희 홍보잡지 편집위원회에서는 [물리학의 선구자]난과 함께 [한국의 물리학자]라는 난을 새로 신설하여, 한국 물리학의 발전에 많은 공헌을 한 선구자적인 분들을 하나하나 소개하고자 합니다.   현재 물리학회에는 한국 물리학계에서 선구적인 역할을 했던 분들에 대한 체계적인 자료가 수집되어 있지 않고, 따라서 이 분들에 대한 역사적으로 가치가 있는 소개를 하기가 무척 힘든 상황입니다.   이에 저희 물리학과 첨단기술 편집위원회에서는 한국 물리학 발전에 선구적인 역할을 한 분들에 대한 자료를 수집하고 있습니다.   수집된 자료는 자료 정리를 거쳐 한국물리학회 [한국물리학 역사자료실]에 보관하고, 그 평가된 내용을 한국의 물리학자 난에 소개하며, 한국물리학회 50년사 편찬을 비롯해서 한국 물리학사 관련 자료 집필에 참고할 예정입니다. 본 자료 수집 사업에 가족이나 친지, 교우, 후학들의 많은 관심과 협조가 있으시길 부탁드립니다.   인물 추천: A4 1-2매 정도의 소개문 수집 자료: 저서, 발표 논문 목록 및 논문 별쇄본, 서한, 신문잡지기사, 상훈 및 각종 증명서, 유품 등등 역사 편찬에 도움이 될 사료 (원본을 계속 개인이 소장하실 분은 사본을 보내도 무방합니다)   보내실 곳: 서울 강남구 역삼동 635-4 과학기술회관 901호 (우편번호 135-703) 한국물리학회 홍보잡지 편집위원회 [한국물리학 역사자료실]

 자료출처; 임상병리검사학카페