방사성 동위원소 원격 치료 장치

 방사성 동위원소 원격치료 장치란 방사성 동위원소에서 발생하는 방사선을 이용하여 종양을 치료하는 원격치료 장치입니다. 처음에는 라듐과 세슘 선원을 주로 사용했지만, 최근에는 단위 질량당 방출되는 방사능이 높은 코발트 선원을 주로 사용합니다. 방사성동위원소 원격 치료 장치의 종류에는 코발트-60 원격치료 장치, 세슘-137 원격치료 장치, 감마나이프가 있습니다. 이번 글에선 방사성동위원소 원격 치료 장치인 코발트-60 원격치료 장치, 세슘-137 원격치료 장치, 감마나이프에 대해 알아보겠습니다.

 

방사성 동위원소 원격 치료 장치

 

기하학적 반음영(penumbra)

 

 

방사선 치료를 위해 선원을 이용할 경우 기하학적 반음영을 고려하여 치료 계획을 세워야 합니다. 기하학적 반음영이란 선원의 크기와 여러 기하학적 요인에 의하여 주변에 음영이 생겨 필요 없는 조사면을 형성하게 되는 것을 의미합니다.

 

반음영은 산란선, 투과 특성에 의한 물리적 요소와 선원 크기, 선원-표면 거리(source surface distance), 선원-콜리메이터 거리(source collimator distance) 등에 영향을 받습니다.

 

 

코발트-60 원격치료 장치(cobalt-60 teletherapy unit)

 

 

코발트-60 원격치료 장치는 고정 조사 및 운동 조사를 할 수 있는 장치입니다. 코발트 원격장치는 선원, 조사 용기, 회전 지지장치, 제어장치, 치료용 테이블 등으로 구성되어 있습니다.

 

 

선원

 

 

코발트-60 선원은 원자로에서 안정 동위원소에 중성자를 충돌시켜 얻을 수 있으며, 생성된 코발트 선원이 붕괴하면 베타선과 감마선이 발생합니다.

 

생성된 베타 입자는 선원 용기와 충돌하여 제동 X선과 특성 X선이 발생하지만, 에너지가 매우 낮기 때문에 감약되어 환자에게 영향을 거의 주지 않습니다. 

 

감마선의 경우, 평균 에너지가 높기 때문에 코발트 원격 치료 장치에선 주로 감마선을 통해 치료합니다.

 

코발트 선원의 특징은 단위 질량당 방사능이 높고 제조와 구입이 용이하며 누설 선량이 크다는 점이 있습니다.

 

 

조사 용기 (source container, housing)

 

 

조사 용기는 source head라고도 하고 치료 선속이 조사될 수 있도록 선원을 이동시키며 방사선의 방어 목적으로 사용합니다. 재질로는 납, 텅스텐 합금, 열화우라늄 등을 사용합니다.

 

예전에는 가격이 저렴하고 가공하기 쉬운 납 용기를 사용하였지만 소형화 추세로 인해 최근에는 주로 텅스텐 합금을 많이 사용합니다. 또한 열화우라늄은 텅스텐 합금보다 차폐력이 높지만, 사용 허가가 필요하기 때문에 장치의 일부분에서만 사용합니다.

 

조사 용기의 구성으로는 선원 용기, 개폐장치, 조리개, 조사면 표시 장치가 있습니다.

 

 

선원 용기(source capsule)

 

선원의 크기는 방사성동위원소협회가 정한 2중 캡슐의 stainless steel로 만든 선원 용기의 안쪽 지름으로 표시합니다. 선원 용기 안에 과립(또는 동전, 둥근 과자)형태의 코발트 선원을 넣습니다.

 

 

개폐장치(shutter)

 

개폐장치는 방사선을 조사하거나 차단하기 위해 선원을 이동시키고 개폐기 자체를 개폐하는 장치를 의미합니다. 개폐장치는 정확한 개폐 동작으로 선원의 차폐가 완전히 이루어져야 하고, 비상시 자동 혹은 수동으로 차폐할 수 있는 안전장치가 구비되어야 합니다.

 

개폐 방식으로는 선원은 고정하고 개폐기만 이동하여 개폐하는 선원 고정식과 선원을 움직여 개폐하는 선원이동식이 있습니다. 그중 선원이동식은 선원의 이동 방향에 따라 수평 이동식과 선원 회전식이 있습니다.

 

 

조리개(collimator)

 

조리개는 방사선의 조사면(field size)의 크기를 결정해 주는 역할을 하는 장치이며, X, Y축 방향으로 개폐합니다. 재질은 납이나 우라늄도 사용하지만, 텅스텐 합금을 가장 많이 이용합니다.

 

조사면 크기는 선원의 중심부터 피부 표면까지 거리(source-skin distance: SSD)가 80cm가 되는 위치에서 0x0cm²부터 35×35cm²까지 조정이 가능하게 설정되어 있습니다.

 

조리개의 종류에는 SSD가 짧거나 소 선원 조사에 사용하는 조리개나 조사면을 다양한 크기로 설정할 수 있는, 교환 부착이 가능한 교환 콜리메이터가 있습니다.

 

일반적으로 대선원의 치료 장치에는 평면 콜리메이터, 조사하는 방사선의 방사 각도에 따라 개폐하여 반음영을 줄일 수 있는 구면(spherical) 콜리메이터, 여러 겹으로 되어 반음영을 줄일 수 있는, 우물형인 다단(multistage) 콜리메이터가 있습니다.

 

주로 다단 구면(spherical multistage) 콜리메이터를 사용하며, 이를 통해 반음영과 산란선을 줄입니다. 정상조직을 보호하고 종양 형태가 일정하지 못한 병소를 치료하기 위해, 조리개의 아래에는 차폐체를 두고 치료하는 shadow tray를 사용하며, 재질은 아크릴을 사용합니다.

 

또한, 경우에 따라 조리개에서 발생하는 2차 산란선을 제거하기 위해 카드뮴 판으로 만든 2차 전자 여과판을 설치하여 사용하기도 합니다.

 

 

조사면 표시장치(light localizer system)

 

광원(light beam)을 방사선 선원과 기하학적으로 일치시켜 방사선의 조사면을 미리 확인한 후, 정확한 치료를 할 수 있도록 해주는 빛 발생 장치입니다.

 

 

회전 지지 장치(gantry)

 

 

여러 방향에서 치료가 가능하도록 회전하여, 회전 조사가 가능하게 합니다. 납으로 된 선속저지체가 부착되어 있습니다. 선속 저지체는 인체를 투과한 방사선을 흡수해 방호하고, 회전축의 균형을 유지하기 위한 역할을 합니다.

 

 

제어장치(control unit)

 

 

치료를 위해 치료 조건이나 방법, 선원의 개폐 등을 제어하는 장치입니다. 구성으로는 선원을 개폐하는 전원스위치, 조사 중 또는 치료실 문의 개폐를 알려주는 표시 램프, 갠트리의 회전이나 방향 설정을 담당하는 장치, 타이머가 있습니다.

 

 

치료 테이블

 

 

높낮이를 조절하여 선원과의 거리 조정하고 조사면의 중심을 일치시키기 위해 전후, 좌우 그리고 회전이 가능하게 되어있습니다.

 

 

세슘-137 원격 치료 장치

 

 

질량수 137인 세슘에서 방출되는 선을 이용해 치료하는 원격치료 장치입니다. 선원과 피부 표면과의 거리를 15~40cm로 유지하여 치료합니다. 하지만 코발트 원격치료 장치에 비해 선원이 커서 반음영이 크기 때문에 잘 사용하지 않습니다.

 

 

감마나이프(Gamma Knife)

 

 

감마나이프는 혈관 기형이나 뇌 속에 존재하는 종양에 선량을 집중적으로 조사하여 치료하는 방법으로 정위적 방사선수술(stereottetie radiostrgery)이라고 합니다.

 

감마나이프는 여러 타입이 있습니다. 그중 B, C형은 201개의 작은 60-코발트 밀봉소선원을 반구형으로 일정하게 배치되어 있으며, 이것과 연결된 원통형 구멍(hole)이 있는 콜리메이터가 장착된 헬멧을 통해 뇌 속에 있는 병소에 집중적으로 방사선을 조사할 수 있는 정위적 치료 장치입니다.

 

C-type은 계산한 좌표를 손으로 고정하지 않고 자동으로 위치를 이동시켜 치료할 수 있는 자동 위치 시스템이 탑재되어 있습니다. 하지만 콜리메이터 헬멧 시스템은 기존 방식과 같기 때문에, 자동으로 좌표를 이동하는데 제한이 많고 환자의 테이블이 고정된 상태에서 머리만 이동하게 되어 환자의 목에 부담을 주는 등의 문제점을 가지고 있습니다.

 

따라서 뇌의 중심부에서 양측으로 멀리 떨어지거나 뇌의 심부 치료에는 제한된 부위에만 자동 위치 시스템을 사용하게 되고, 그 외는 수동으로 위치를 조절하게 되어 오차를 줄이기 어렵습니다. 

 

 

Gamma Knife Perfexion 

 

 

Gamma Knife Perfexion은 치료 시간을 줄일 수 있으며, 시술자의 동선을 최소화하며 완전 자동화를 실현하여 오차를 완전히 제거했습니다. 또한 선원이 이동하여 다양한 형태의 선량 분포를 형성할 수 있어서, 종양 주변의 중요한 장기를 보호하면서 충분한 선량을 종양에 조사하여 치료 효과를 높일 수 있습니다.

 

장치는 제어장치, 치료 장치, 콜리메이터, 치료계획시스템 등으로 구성되어 있습니다.