마이크로트론, 베타트론과 사이버 나이프

마이크로트론은 선형가속기와 사이크로트론의 원리를 결합하여 전자를 가속하는 장치로, 주로 의료용 방사선 치료에 사용됩니다. 이 장치는 전자를 반복적으로 가속하여 고에너지 전자선을 생성하며, 이를 통해 다양한 치료가 가능합니다. 특히 사이버 나이프와 같은 최신 장비와 결합하여 정밀한 방사선 치료를 구현할 수 있는 특징이 있습니다.

 

마이크로트론, 베타트론과 사이버 나이프

 

마이크로트론(microtron)

 

 

마이크로트론은 선형가속장치와 사이크로트론의 원리를 합친 장치로 전자를 가속해 에너지를 얻는 장치입니다. 전자총에서 발생한 전자를 크라이스트론 또는 마그네트론에서 발생한 고주파에 실어 공진공동(resonance cavity)에 의해 가속된 전자가 원형의 직류자장 진공관 내를 물결파가 퍼져나가는 형태로 회전 가속하면서 필요한 에너지를 얻게 됩니다. 의료용 치료장치의 구조는 본체, 유도관, 조사부, 제어부로 구성됩니다.

 

 

본체(microtron body)

 

 

전자를 고주파에 실어 회전자계를 이용하여 반복 회전시켜 가속하는 장치로서 전자가 1번 회전할 때마다 가속이 증가하고, 전자가 가속할수록 높은 에너지의 전자선속을 얻게 됩니다. 이때 자기 차폐관의 위치에 따라 방출되는 전자선의 에너지가 결정됩니다.

 

 

유도관(beam transport pipe)

 

 

유도관은 본체에서 발생한 전자선을 2~3개의 치료 장치로 보내주며, 유도관의 주위엔 편향 전자석이 둘러싸고 있는데, 이 편향 전자석이 전자선을 손실이 거의 없이 치료 장치로 보내줍니다.

 

 

조사부

 

 

조사부는 회전 지지 축(gantry)과 조사 head로 구성되어 있습니다. 회전 지지 축에는 가속관이 없지만 유도관이 있습니다. 초점의 크기는 2mm 정도이고, 조리개를 통해 조사면을 조절합니다.

 

 

제어부(control part)

 

 

제어부는 2~3개의 치료 장치를 제어하기 위해 2~3개의 control box로 구성되며, 6, 10, 21MV의 X선과 2, 5, 7, 9, 11, 13, 16, 18, 20, 22MeV의 전자선을 에너지별로 선택하여 방출할 수 있고, 회전 조사나 선량률 조절이 가능합니다.

 

 

베타트론(betatron)

 

 

베타트론은 hollow doughnut이라는 원형 가속관에서 자기장을 이용하여 전자를 같은 궤도반경으로 회전시키면서 가속하는 장치를 의미합니다. 베타트론을 통해 X선과 3~30MeV의 에너지를 가진 전자선을 생성할 수 있으며 보통은 6~50MeV의 전자선을 치료에 사용합니다. 원형 가속 진공관 내에서 전자를 교류 자장이나 교번자계를 이용해 일정하게 회전시키면서 가속하게 만듭니다. 베타트론을 의료용으로 사용할 때의 치료 장치는 전원부, 전자석, 도넛관, 조사 head 부와 펄스 발생 장치, 그리고 지지 장치 및 조정 제어 장치로 구성되어 있습니다.

 

 

전원부

 

 

베타트론의 전원부는 전자석 여자용 전원과 제어용 전원으로 구성되어 있습니다.

 

여자용 전원은 전자가 회전하는 데 필요한 자기장을 얻기 위한 전원을 공급하는 장치로, 에너지 출력변동을 줄이기 위해서 수천 볼트로 승압한 다음 여자 coil에 공급하고 있습니다. 하지만 이 경우, 소비되는 전력이 크고 에너지 효율이 안 높아서 동조용 콘덴서를 여자 코일에 병렬로 연결합니다.

 

제어용 전원은 펄스 전압 발생기, 지지 장치, 냉각계를 제어하기 위한 전원을 공급하게 됩니다.

 

 

전자석

 

 

전자석은 가속관 내부의 전자를 집속하고 회전을 유지하기 위한 자극과 여자 코일, 그리고 여자 코일을 둘러싸고 있는 철심으로 구성되어 있습니다.

 

 

자극(pole)

 

전자가 일정한 궤도로 회전 가속하도록 자극을 이용합니다, 시간에 따라 변화하는 자계를 얻기 위해 여러 층의 얇은 규소강판을 겹쳐서 사용합니다.

 

 

철심(yoke)

 

철심은 자극에 자속을 공급하여 궤도의 자속 분포를 일정하게 합니다. 철심의 형태로는 2각형, 4각형, 6각형이 있습니다. 2각형은 주로 저 에너지 장치에 이용하고, 4각형과 6각형은 고에너지 장치에 이용합니다.

 

 

여자 코일

 

여자 코일은 철심에 자속을 발생시키기 위한 기전력을 발생시키며, 1mm 정도의 구리 선과 내열성 에나멜선을 혼합해서 만듭니다.

 

 

펄스 발생 장치

 

 

펄스 발생장치에는 Injection 제어 펄스계와 Expansion 제어 펄스계가 있습니다. Injection 제어 펄스계는 전자총에서 전자를 도넛 가속관 내로 입사하게 만드는 데 필요하며 Expansion 제어 펄스계는 X선 혹은 전자선을 발생시키기 위해 사용합니다.

 

 

도넛관(doughnut tube)

 

 

도넛관은 가속관이 원형의 도넛 형태이며 관유리, 전자, Target, 필러(filler)로 구성되어 있습니다.

 

 

관유리(tube glass)

 

전자선이 방출되는 입구에는 흡수율이 낮은 베릴륨을 사용합니다.

 

 

전자총(electron gun)

 

도넛관 내로 40~70kV로 가속된 전자를 입사시키는 장치입니다.

 

 

Target

 

관유리의 내벽에 고정되어 있으며, 재질로는 1mm 두께의 백금을 사용합니다. 이것을 통과할 때 X선이 발생합니다.

 

 

필러(filler)

 

가속된 전자가 Target이나 베릴륨 창에 정확하게 충돌할 수 있도록 유도하는 장치입니다.

 

 

조사부(head)

 

 

조사부(head)는 조리개, 선속 평탄 여과기, 산란박, 선량계, 차폐 용기 등으로 구성되어 있습니다.

 

 

조리개(collimator)

 

조리개의 재질은 텅스텐 또는 텅스텐 합금을 사용하고 조사 면을 결정합니다.

 

 

선속 평탄 여과기(flattening filter)

 

X선 조사 면의 중심부와 주변부의 강도 분포를 균일하게 만듭니다. 여기에 사용되는 재질로는 텅스텐 혹은 납 등이 있습니다.

 

 

산란박(scattering foil)

 

산란박은 도넛관의 방사 창을 통과해서 발생한 전자선을 얇은 박막을 통과하도록 하여 산란시  켜 조사면 전체의 분포를 균등하게 만듭니다. 산란박은 주로 알루미늄, 니켈, 구리, 납 등으로 구성됩니다.

 

 

차폐 용기(shielding container)

 

차폐 용기는 불필요한 방사선을 흡수하기 위해 사용합니다. 조사 head를 납으로 감싸서 사용합니다.

 

 

사이버 나이프(cyber knife)

 

 

기존의 선형가속기를 이용한 X-knife와 감마나이프의 장점을 합친 치료 장치라고 할 수 있습니다. 사이버 나이프는 CT 또는 MRI 촬영 영상에 나타난 환자의 골격계 구조물 및 병변에 삽입된 표지물(gold marker)을 좌표로 삼아 X선 발생 장치를 통해 얻은 환자의 실제 영상과 합성하여 실시간으로 병변의 위치를 추적하면서 치료합니다. 사이버 나이프는 선형가속기, 로봇팔, 병소 위치를 실시간 감지하는 병변 추적 장치, 자동조절 치료대 및 치료계획과 치료를 시행하는 컴퓨터 시스템으로 이루어져 있습니다.

 

 

선형가속기(linear accelerator)

 

 

사이버 나이프에 부착된 선형가속기는 소형이며 6MV의 X선을 발생시킨다. 병소의 크기에 맞게 원형 조리개 선택하여 사용합니다.

 

 

로봇팔(robotic arm)

 

 

6개의 관절 축을 가져서 매우 다양한 방향으로 조사할 수 있게 해줍니다. 또한 선형가속기를 지지하는 역할도 합니다.

 

 

병변 추적 장치(target locating system)

 

 

두 개의 X선 영상 유도 장치를 통하여 획득한 영상과 치료계획을 세울 때 CT를 이용한 재구성 디지털영상(digital reconstruction radiogram)을 서로 비교하여 병변의 위치를 인식하고 추적하는 장치입니다. 이때 병변 추적 장치의 오차는 1mm 이하로 하고 있습니다.

 

 

X선 튜브(X-ray tube)

 

치료실 천정에 45도 각도로 병변 추적용 X선을 발생하여 영상을 감지할 수 있도록 하여 치료 테이블 위, 환자의 병변을 실시간으로 추적할 수 있도록 합니다.

 

 

영상감지기(X-ray detector)

 

치료 테이블 옆 45도 또는 테이블 아래 바닥에 위치하여 실시간으로 병변의 위치를 추적할 수 있도록 영상정보를 제공하게 됩니다.

 

 

호흡 추적 장치(synchrony respiratory tracking system)

 

호흡에 따라 움직이는 장기를 치료할 때 적용하며, 환자의 몸에 부착한 LED의 움직임을 통하여 외부 호흡을 인식하고 치료 중 실시간 촬영한 X선 영상을 통해 내부 종양의 움직임을 파악하여, 움직이는 병소를 추적하면서 치료합니다.

 

 

치료제어 시스템(treatment control system)

 

 

치료계획을 위한 CT 영상에 MR, 혈관조영 영상 등을 합성하여 더욱 정확한 종양 용적을 설정할 수 있습니다. 정상조직의 장애 없이 정밀한 방사선 치료가 이루어지도록 '역방향 치료계획(Inverse planning system)을 수립할 수 있으며 컴퓨터 제어를 통하여 치료가 진행되는 동안 치료 과정을 추적하여, 오작동이나 환자의 움직임에 대한 안전을 위해 치료를 중단하는 기능을 포함합니다.

 

 

사이버 나이프(cyber knife)의 특징

 

 

치료 부위에 대해 제한 없이 치료가 가능합니다. 일반적인 외과 수술에 비하여 안전하며 외상이 없고, 로봇팔의 동작 오차가 적어 병소부위를 정확하게 치료할 수 있습니다. 또한 비침습적 고정 도구를 사용하므로 환자의 고통이 없고 통원 치료가 가능합니다.

 

 

토모테라피(tomotherapy)

 

 

치료계획을 세울 때 설정한 표적 계획 영상과 치료 당일 촬영한 실제 표적 영상을 서로 합쳐서, 치료하고자 하는 병소 주위를 방사선 발생 장치가 360도 회전하면서 전 방향에서 다수의 단층으로 쪼개어 치료하는 것을 말합니다. 이때 컴퓨터를 통해 방사선의 크기, 세기와 형태를 연속적으로 조절하고 환자의 고정용 침대를 천천히 이동하게 하여 나선형의 방사선 조사가 가능하게 됩니다. 또한 토모테라피는 정교한 세기 변조 방사선 치료(intensity modulation radiation therapy, IMRT) 방법이면서도 방사선 치료 전 계획과 환자의 위치 잡기 그리고 방사선 조사가 하나의 시스템에서 한 번에 진행하게 되어 있습니다.

 

 

구성

 

 

토모 치료 통합시스템은 치료계획 시스템, 치료시스템, 제어시스템 그리고 데이터베이스 시스템으로 구성되어 있습니다.

 

 

치료계획 장치(planning console)

토모 치료 장치를 이용한 치료를 할 때 가장 먼저 사용하는 장치로, 치료 전에 CT 또는 MR과 같은 3차원 영상을 얻은 후 치료계획 소프트웨어를 통해 치료에 필요한 표적을 설정하고, 방사선의 선량 분포와 강도 및 조사할 방사선의 양에 대한 값 등을 계산하게 됩니다.

 

 

치료 장치 (gantry system)

 

토모 치료는 다엽 콜리메이터를 통해 세기 변조 방사선 치료와 360도 방향에서 나선형 조각 치료를 시행하는 장치입니다. 구성으로는 선형가속기, 영상획득 시스템, 검출기, 컴퓨터 제어기 등으로 구성되어 있습니다.

 

 

제어 시스템

 

컴퓨터 제어 시스템을 통해 토모 치료 장치를 360도 회전시켜 방사선의 크기, 형태, 세기 등을 할 수 있으며, 치료 테이블이 이동도 제어하여 나선형 조사가 이루어질 수 있도록 합니다.

 

 

데이터베이스 시스템(database system)

 

치료계획 단계와 병소의 위치를 정확하게 확인하는 단계를 거쳐 치료하는 단계까지 one stop으로 치료하기 위해서는 각각의 단계에서 이루어지는 자료를 공유하기 위한 시스템입니다.

 

 

토모테라피(tomotherapy)의 특징

 

 

토모 치료는 실시간 MVCT 영상으로 병소의 위치 및 표적의 변화를 파악할 수 있고, adaptive plan이 가능하여 종양에 정밀한 방사선 조사를 할 수 있습니다. 또한 종양의 크기와 수에 제한받지 않으며, 여러 곳에 분포된 암들도 동시에 치료할 수 있습니다.