방사선 치료 장치의 분류와 선형가속기의 구조

방사선 치료 방법은 다양하며, 이에 따라 원격치료 장치와 X선 및 입자선을 이용한 여러 장치가 사용됩니다. kV X선 치료 장치는 에너지 범위에 따라 표재치료, 심부 치료, 초고압 치료로 나뉘고, 선형가속기는 고주파 전자기파로 전자를 가속하여 고에너지 방사선을 생성해 치료에 이용합니다. 이번 글에서는 방사선 치료 장치의 분류와 선형가속기의 구조를 살펴보겠습니다.

 

방사선 치료 장치의 분류와 선형가속기의 구조

 

방사선 치료 장치의 분류

 

 

원격치료 장치는 방사선이 발생하는 곳에서 치료하고자 하는 병소까지의 거리를 일정하게 유지하여 치료하는 장치입니다. 원격치료 장치는 X선을 이용한 KV X선 치료 장치, 고에너지 입자선을 이용한 입자 가속장치, 방사성 동위원소를 이용한 방사성 동위원소 원격치료 장치가 있습니다.

 

 

kV X선 치료 장치(kilo voltage units)

 

 

X선 치료 장치에 사용하는 X선 에너지의 범위는 10~500kV 정도이며 이때 사용하는 X선 치료 장치는 X선 에너지 범위에 따라 표재치료 장치, 심부 치료 장치, 초고압 치료 장치로 나뉩니다. 특징으로는 장치의 조작 및 차폐가 쉬우며 크기가 소형이고 넓은 조사 면(field size)의 선량 분포가 균일하다는 장점이 있습니다.

 

 

표재치료 장치(superficial unit)

 

관전압 50~150kV 정도에서 X선을 발생하는 장치를 말하여, 피부 표면으로부터 보통 5mm 정도까지의 깊이에 있는 피부암 나 켈로이드성 피부질환을 치료할 때 사용합니다. 그러나 현재는 전자선을 주로 사용하므로 지금은 거의 사용되지 않습니다. 고전압을 이용한 표재 치료 장치의 정류 방식에는 자기 정류 방식, 전파 정류 방식, villard 정류 방식 등을 이용합니다.

 

 

심부 치료 장치(orthovoltage unit)

 

 

관 전압 150~500kV에서 발생하는 X선을 이용한 치료 장치입니다. 주로 피부 표면으로부터 2~3cm 이상 깊이에 있는 병소를 치료하는 데 이용하며, 표재 치료 장치에 비하여 조사면 내의 선량 분포가 균등하고 출력 선량이 크지만, 고에너지 X선 발생장치를 이용하게 된 이후부터 사용하지 않습니다.

 

 

초고압 치료 장치(super voltage unit)

 

 

관전압 500~1,000kV의 범위의 X선을 발생하는 치료 장치이며, 고전압 변압기인 공진변압기를 사용합니다.

 

 

선형가속기(linear accelerator: LINAC)

 

선형가속기는 전자를 가속하는 직선 전자 가속장치와 양자나 무거운 입자를 가속하는 직선 양자 가속장치가 있는데, 직선 양자 가속장치는 대형 사이클로트론(cyclotron)의 입사기로 사용하고 중성자, 양자, 중간자를 발생시키는 가속기로 주로 이용됩니다, 직선 전자 가속장치는 의료분야에서 가장 많이 사용하는 장치로서 3장에서는 직선 전자 가속장치에 대해서 공부하게 되며, 선형가속기라고도 합니다.

 

 

발생 원리

 

선형가속기는 하전입자를, 고주파 전자기파를 이용해 직선형의 가속관에서 가속하여 고에너지의 방사선을 만드는 장치입니다. 전자총에서 발생한 전자를 고주파 전자기파를 이용해 가속하게 하는 장치입니다. 이때 고주파 전자기파는 마그네트론 또는 klystron을 통해 발생하고 도파관을 통해 가속관으로 이동합니다.

 

 

장치의 구성

 

 

현재 의료용으로 사용하고 있는 선형가속기는 Microwave network, 가속부, 조사 head부, 회전 지지 장치, 제어장치, 치료대로 구성되어 있습니다.

 

 

Microwave network

 

전자를 가속하기 위해 3000MHz 전후의 고주파를 발생시키는 장치 및 전원을 말하는 것으로 마그네트론 또는 클라이스트론, 펄스 전원장치, 도파관으로 구성되어 있습니다.

 

 

마그네트론(magnetron)

마그네트론은 고주파를 발생시키는 장치이며, 이때 발생하는 고주파는 3000MHz 전후입니다. 원통형으로 되어 있으며 중심에 음극이 있고, 그 주변에 몇 개의 발진 구멍(hole)을 갖추고 있는 양극으로 구성되어 있습니다.

마그네트론은 크라이스트론(klystron)에 비해 조작이 간단하고, 소형이며, 가격이 저렴하지만, 수명이 짧고 출력의 안전성이 안 좋습니다. 13 MeV 이하의 전자선과 6MV 이하의 에너지를 가진 X선을 발생하는 장치에 주로 사용합니다.

 

 

크라이스트론(klystron)

 

2개의 hole이 있으며 이때 음극에 의해서 발생한 전자가 양극에 의해 가속하여 4~5단계의 buncher를 지나면서 밀도가 마이크로파와 같이 바뀌고, 밀도가 바뀐 전자들은 공진 전자파로 전환되어 5~7MW의 대출력을 가진 고주파를 얻을 수 있게 됩니다. 이 고주파를 도파관을 통해 가속관으로 보내서 전자총에서 발생한 전자를 가속하게 합니다.

 

크라이스트론의 특징은 마그네트론에 비해 수명이 길고, 발진 주파수가 안정적이기 때문에 X선과 전자선을 발생할 수 있는 Dual photon beam 장치에 유리하며, 큰 출력을 얻을 수 있다. 따라서 10MV 이상의 고에너지 X선과 18MeV 이상의 전자선을 발생시킬 수 있는 선형가속기에 사용합니다.

 

 

도파관

Microwave를 금속관 내부를 통해 가속관으로 전달하는 장치입니다.

 

 

가속부

방사선 치료에 이용할 수 있는 고에너지 전자선, X선을 발생시키기 위해선 전자가 진공상태에서 가속해야 합니다. 이때 가속을 하기 위한 장치를 가속부라 하고, 가속부에는 전자총, 가속관, 이온펌프, 편향 전자석 등이 있습니다.

 

 

전자총

 

선형가속기에 전자를 공급하기 위한 장치로, 종류엔 2극 진공관과 3극 진공관이 있습니다. 음극과 양극 사이에 10~70kV의 전압을 가해주면 전자가 양극으로 가속하게 됩니다. 또한 보조 전극을 통해 전자선을 집속하게 되면 전자선은 광속의 절반의 속도로 가속관에 입사하게 됩니다.

 

 

가속관(accelerating tube)

 

전자총에서 발생한 전자를 크라이스트론 또는 마그네트론에서 발생한 초고주파의 위상속도와 같게 하여 전자를 운반하게 합니다. 또한, 이를 통해 높은 에너지를 얻을 수 있습니다. 이때 이 장치를 가속관이라 합니다. 가속관은 벽면에서의 에너지 손실을 줄여야 하기에 전기전도가 좋은, 순도가 높은 무산소 구리를 사용합니다. 가속관의 종류에는 정재파형 가속관과 진행 파형 가속관이 있습니다.

 

 

이온펌프(ion pump)

 

가속관 내부는 방전 또는 전자와 공기의 충돌을 막기 위하여 진공도가 높아야 합니다. 이때 이온펌프를 활용하여 가속관 내부를 항상 일정한 진공도로 유지합니다. 만약 선형가속기의 전원이 꺼졌어도 이온펌프는 계속 작동시킵니다.

 

 

편향 전자석

 

전자선 또는 X선을 방출시키기 위해서는 가속관을 통하여 가속된 전자를 정확히 Target에 충돌시켜야 합니다. 따라서 직진하는 전자 선속을 일정한 각도로 방향을 변화시켜야 하는데, 이때 사용되는 편향 전자석은 전자 선속을 일반적으로 270°로 편향시켜 주며, 끝부분에 티타늄으로 된 얇은 판막을 사용하여 진공을 유지해 줍니다.

 

편향 전자석은 4, 6MeV 전용 선형가속기 가속관에는 거의 사용하지 않지만, 18MeV 이상의 고에너지를 방출하는 선형가속기의 가속관에선 정확한 편향을 위해 사용합니다.

 

 

조사 head

 

조사 헤드는 납 또는 텅스텐과 납의 합금으로 된 물질로 이루어져 있어 누설 선량을 차폐합니다. 치료에 사용하는 전자선 및 X선은 가변적인 조사면을 통하여 방출하며, 360° 회전하면서 방사선을 조사할 수 있고, 회전 중심점의 오차는 2mm 이내의 정밀도를 유지해야 합니다.

 

조사 헤드를 구성하는 요소로는 Target, 산란박, 선속 평탄 여과기, 이온 선량계, 조리개, 조사면 및 치료 거리를 육안으로 확인하여 맞추는 light localizer system이 있습니다.

 

 

Target

 

고에너지의 전자선과 X선을 선별적으로 발생시키는 장치로 가속 편향된 전자선이 Target의 구멍이 뚫린 부분을 통과하게 되면 고에너지 전자선을 방출합니다. 또한 텅스텐과 같은 원자번호가 높은 Target을 통과하게 되면 고에너지의 X선을 방출하게 됩니다.

 

 

산란박(scattering foil)

 

가속관에서 가속된 전자선이 Target을 통과하면 연필심 선속(pencil beam)이 됩니다. 따라서 두께가 얇은 납판을 이용해 얇은 산락박(scatteringfoil)에 전자선속을 통과시켜 산란 및 확산하게 만들면 조사면 전체에 균등한 전자밀도를 분포시키게 할 수 있습니다. 이때 산란박의 두께가 얇기 때문에 대부분의 전자가 제동방사를 하지 않고 선속이 확산하지만, 전체 에너지의 일부는 제동방사로 바뀌고 전자 선속 내에 오염 X선이 발생하게 됩니다.

 

 

선속 평탄 여과기(beam flattening filter)

 

가속관에서 발생한 전자 선속이 Target을 통과하면 고에너지 X선이 발생하는데, 이때 선형가속기는 MV 범위에서 전자를 생성하기 때문에 X선의 강도는 전진 방향에서 최고가 됩니다. 그러므로 선속의 강도는 중심부가 매우 강하고 주변부로 갈수록 강도가 약해져 이를 직접 치료에 이용하게 되면 균등한 선량을 조사할 수가 없게 됩니다.