“과학 분야에서 새롭게 부상하는 분야 중 하나가 분자영상학으로 의학영상 분야와 함께 유전공학의 발달에 따라 분자영상을 위한 PET과 MRI, 의학, 생물 및 뇌 연구에 대한 응용분야에 특히 괄목한 발전이 있었다”

가천의과대학 뇌과학연구소 소장인 조장희 박사는 PET와 MRI에 의한 분자영상과 생리학적 영상(Advances in Molecular and Physiological Imaging with PET and MRI)이란 주제 강연을 통해 이같이 밝혔다.

MRI치료 새 방향 제시
침습·비침습에 활용가능성 증가

실질적 산소소비 따른 영상획득 가능성 제시

조 교수는 분자영상을 위한 PET과 뇌영상을 위한 초고자장의 MRI을 중심으로 특히 암과 부종의 초기진단에 PET이 결합이 된 MRI가 유전공학적 분자기질과 분자탐구로 이용된다고 설명했다.

또 다른 방향으로는 20년 동안 MRI에 사용되는 자장의 증가는 고자장 MRI에 대한 경험이 현대 의·과학에서 유용한 기구로 의·생물학적으로 결과들을 도출하면서 이젠 7.0T에서의 뇌 영상에서 기존의 MRI에서 볼 수 없었던 In-vivo에서 대뇌피질의 미세신경층도 볼 수 있었다.

이와 같이 개선된 기술과 함께 PET에 의한 나노 분자 입자 영상화는 in-vivo에서 종양의 발생과 세포 전이의 정량적 분자 기전을 시각화할 수 있게 됐다. 또한 초고자장 MRI에 또 다른 관심사는 확실하게 시간적 공간적으로 개선된 분해능으로 이제까지 할 수 없었던 실질적인 산소 소비에 따른 영상 획득 가능성과 PET와 함께 뇌에 대한 이해가 더 깊어 갈 것이라고 예측했다.

MR이용 유방암 비침습적 치료법

세계MRI학회 (International Society of Magnetic Resonance in Medicine: ISMRM) 회장인 크리스 문넨(Chrit Moonen) 교수는 MR 영상가이드 고강도 초음파를 이용한 비침습적 열적 유방암세포 절제 방법 개발 (Towards Noninvasive Thermal Ablation of Breast Cancer by MR-guided High Intensity Focused Ultrasound)에 대해 설명했다.

교수는 MR 영상을 이용하여 유방암을 고강도 초음파로 비침습적으로 치료하는 최첨단 방법을 소개했다. 이 방법은 현재 임상 시험중이며, 곧 미국 FDA허가가 날것으로 기대된다.

최근까지 국지 온열요법(local hyperthermia)은 종양제거, 유전자치료, 약물유도, 열 활성화된 화학요법을 위하여 사용됐는데, 대략 1 mm의 파장에 초점을 맞춘 고강도 초음파 (high intensity focused ultrasound)는 비침습적으로 인접 조직에 영향을 주지 않고, 몸 안의 목표 부위에 에너지를 전달할 수 있다.

MRI는 온도에 민감하고, 목표지점에서의 연부조직 대조도가 뛰어나므로 영상가이드 고강도 초음파를 이용하기에 최적으로 방법으로 평가된다. 특히 MR 영상가이드 고강도 초음파 방법은 유방암 치료에 매우 적합한 방법으로 각광받기 시작했다.

특징은 고에너지 초음파가 폐방향이 아닌 옆 방향으로 비켜나갈 수 있도록 디자인되었고, 256개의 타원형태의 초음파 transducer는 환자가 누워있는 상태에서 효율적으로 치료할 수 있도록 설계되었다. 또 주 치료 (main therapy)전, 소량의 시험용 초음파를 사용하여 위치를 검증한다. 교수는 곧 종합적인 유방암치료에 대한 임상적인 결과가 학계에 보고될 것으로 예상했다.

MRI 응용 방사선치료 영상실현모듈에 좌우

워크숍에서는 스텐포드의대 방사선종양학과 루이 징(Lei Xing)교수의 방사선 치료에서 MRI응용 (MRI Applications) 방사선 치료는 치료 계획과 영상 정보의 집적 정도에 사용되는 영상 실현 모듈에 좌우된다고 밝혔다.

또 Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT)는 방사선량 분포에 매우 높은 확실성을 제공하는 기구지만 종양의 목표 정의 및 세포간 과 세포내 부분의 소기관 운동에 대한 더 좋은 영상 실현 기구가 요구된다.

따라서 임상적으로 MRI는 높은 연질성 세포조직을 잘 표현하는 해부학적 영상을 모듈하는 특징이 있어 방사선 종양학 실습, 심히 빽빽하게 찬 암 진단, 스테이징, 암 치료 계획 및 치료학적 반응에 대한 모니터닝에 장점으로 작용한다.

교수는 최근 고자장 MRI와 새로운 조영제 개선으로 대사적 기능적 정보를 제공하는 강력한 비침습적 역할을 하는 MR Spectroscopic Imaging (MRSI)과 생물학적 순응성 방사선 치료(biologically conformal radiation therapy: BCRT)를 소개했다.

이외에도 MRI는 나노 크기의 미세영상을 좋은 분해능으로 획득할 수 있어 다른 영상기기와 함께 유전자 치료연구, 뇌의 기능적 연구 등에 퓨전영상으로 생리학적 병리연구에 사용할 수 있다.

또 MRI 가이드에 의한 IMRT 와 같은 방사선 및 비침습적 치료를 위한 초음파 기기를 결합한 유방암치료 등 침습적, 비침습적 치료에 MRI의 활용은 더 증가할 것으로 예상된다. 그에 따른 관련학과의 연구도 더욱 요구된다.

<기사제공 : 가톨릭의대 최보영 교수>

IGRT 중요 이슈 부각

영상유도방사선치료(Image Guided Radiation Therapy; IGRT)는 넓은 의미에서는 PET/CT로 촉발된 분자영상 등을 이용하여 기존에 구조영상에 의존한 표적 결정 방식에 암세포의 활성도와 같은 기능적인 요소를 고려하여 치료부위를 결정하고자 하는 기술을 포함한다.

좁은 의미로는 치료 시점에서 표적의 정확한 위치확인을 목적으로 치료실 내에서 이루어지는 영상획득 기술을 말한다. 대표적인 예로는 in-room CT, kV 및 MV 콘빔 CT, 그리고 토모테라피(Tomotherapy)를 이용한 MVCT 등이다.

세기조절방사선치료(IMRT)기술로 정교한 선량조사가 가능해지면서 정확한 치료조준 여부를 확인할 수 있는 영상유도기술은 방사선치료에 있어 매우 중요한 이슈가 되었다.

이번 학회에서도 스탠포드대학 루이 징(Lei Xing)교수가 주관한 one-day short course가 진행됐다. 또 위스콘신대학의 울프강 톰(Wolfgang Tome) 교수의 연수강좌를 비롯해 많은 연제들이 발표됐으며 열띤 토론이 있었다.

MV cone-beam CT 기술발전 기대

트랙11의 세션11초청강연으로 진행된 UCSF의 올리버 모린(Olivier Morin)박사는 기존에 영상대조도 및 초점크기에서 kV에 비해 약점을 보였던 MV cone-beam CT를 이용하여 kV cone-beam영상에 비해 떨어지지 않는 영상을 구현하여 소개했다.

MV cone-beam CT의 장점은 치료에 사용하는 MV x-ray를 그대로 사용할 수 있기 때문에 별도의 kV cone-beam CT 시스템을 장착할 필요가 없고, kv cone-beam에 비해 산란선이 적어 영상 왜곡이 작다는 장점이 있다.

박사는 “향후 검출기의 성능을 현재 보다 5배 향상시킨 시스템을 개발하여 시험 단계에 있다”고 해 MV cone-beam CT의 향후 기술 발전이 기대된다.

<기사제공 : 한림대의대 방사선종양학과 조병철 교수>

입자방사선 암치료에 효과
30개 기관 운용, 추가설치 하는 곳도

입자방사선치료는 전 세계적으로 치료시설이 많지 않고 관련된 인원도 많지 않아 참석인원이 적을 것으로 예상됐지만 첫날부터 자리가 부족해 서서 들어야 할 정도로 성황을 이루었다.

현재 세계적으로 약 30 개 기관에서 치료를 하고 있는데 주로 입자가속기 시설을 연구와 병행 치료에 사용하고 있고 몇몇 기관만이 병원용으로 설치하여 본격적인 치료목적으로 사용하고 있다.

부작용 최소화

최근에는 기술의 발달로 입자방사선의 설치 및 치료적용이 용이해져 양성자치료기 및 탄소치료기를 세계유수 치료기관에서 앞 다투어 도입하고 있다. 입자방사선치료의 가장 큰 특징은 방사선을 특정위치에 집중할 수 있는 물리적 특성을 갖고 있다는 것.

수소의 원자핵인 양성자나 탄소의 원자핵 등 전기적 성질을 띄고 있는 소립자는 에너지를 잃는 과정에서 브래그피크(Bragg-peak) 특성을 갖고 있기 때문이다. 이것은 다시 말하면 전기적인 성질을 갖고 있는 소립자가 빛에 가까운 속도로 가속되면 인체 내에서 에너지를 거의 잃지 않고 통과하다가 특정한 위치에 도달하면 폭발적으로 에너지를 잃고 정지하는 성질을 말한다.

이 특징을 이용하면 암 부위에는 충분한 치사선량을 주면서도 다른 어떤 방사선 치료보다 정상조직에는 최소의 방사선이 들어 갈수 있게 할 수 있어서 방사선치료에 의한 부작용을 최소화 할 수 있다.

이런 장점이 있으면서도 그동안 널리 사용되지 못한 이유는 치료용 입자방사선을 만들기 위해선 거대한 가속장치가 필요하고 입자선의 에너지를 조절할 수 있는 장치, 빔을 전달할 수 있는 장치, 환자를 치료 할 수 있는 빔의 조건을 만들어 주는 치료실등의 시설이 구비되어야 하고 전문적인 다수의 의학 물리학자 및 엔지니어의 지원을 필요로 하기 때문이다.

4만 3천명 암 치료 효과

현재까지 세계적으로 약25개 치료시설에서 43,000여 명의 치료를 받고 임상적으로 뛰어난 암 치료 효과를 보았다. 입자방사선치료학회(PTCOG) 회장이면서 미국 MD Anderson Cancer Center의 의학물리학자인 알프레드 스미스(Alfred Smith)교수는 초청연자로 참석해 ‘양성자 치료시설(Proton Therapy Facilities)’이란 주제발표를 통해 이 같이 밝히고 전 세계적으로 설치어 있거나 설치되고 있는 시설에 대한 현황을 발표했다.

교수는 최근에 설치되는 하전입자를 사용하는 치료 전용의 입자방사선치료시설들은 안정적인 운영 할 수 있으면서 좀더 정밀한 방사선 조사방법이 적용되어 많은 환자를 효율적으로 치료 할 수 있다. 또 고가의설치비와 유지비를 충분히 치료비용으로 자체 유지가 가능해져 현재 세계적으로 계획되고 있는 시설만 10곳이 될 정도로 방사선 치료의 새 주류로 자리잡아가고 있다고 소개했다.

국내에서도 국립암센터내에 양성자치료시설이 설치 중에 있어 올해 말이나 내년 초쯤 환자치료를 시작 할 수 있을 것이다.

<기사제공 : 국립암센터부속병원 양성자치료센터 의학물리학자 이세병 교수>

물 흡수선량 정확성 높여

21세기 접어들어 선량측정의 패러다임이 공기커마(Air kerma) 표준에서 물 흡수선량 1차 표준으로 전환되고 있다.

물 흡수선량 교정체계는 확고한 절대선량계에 의한 표준과 교정기관에서 물 흡수선량 표준을 직접 제공함에 따라 선량측정의 불확실성이 감소되고 수식체계가 간소화돼 더욱 정확한 선량측정이 가능하다.

이번 학회에서는 물 흡수선량 표준에 토대를 두고 있는 프로토콜을 토대로 물리적인 인자들에 대한 측정과 몬테카를로 모의실험에 의한 계산 결과와 상호 분석 비교 및 선량측정의 정확성 향상을 위한 열띤 토의가 있었다. 이번 학회를 통해 국내에서도 암치료를 위한 방사선치료분야의 가장 기본인 선량측정에 대한 관심이 고조될 것으로 기대된다.

방사선선량 최적화 초점

국제원자력기구(IAEA)의 페드로 안드레오(Pedro Andreo) 박사의 ‘방사선 선량측정: 우리는 어디에 서 있으며, 여기서 어디로 가는가?’ 라는 토픽으로 방사선분야에서 선량측정에 대한 중요성을 강조했다.

방사선치료분야에서 선량증가는 치료성적의 극대화를 위해 합병증과 부작용을 최소화하면서 조사된 선량을 합리적으로 달성할 수 있을 만큼 많이 사용하는 것이다.

즉 AHARA(as high as reasonably achievable) 개념으로 최적화하고 있다. 그러나 개념으로 최적화하고, 진단방사선분야에서는 임상적으로 유용한 영상을 얻을 수 있는 가장 적은 수준까지 환자의 선량이 조사되도록 ALARA(as low as reasonably achievable)의 옛 개념인 행위의 최적화가 지속적으로 요구되고 있다.

따라서 이들 진료 행위의 좋은 표준화를 구축하고 환자를 보호하는 것을 포함하는 질관리 과정의 일부분을 수립하는 것이다. 또한 방사선치료분야에서의 선량측정은 일관성과 정확성에 관한 발전을 주도했으며, 기준조건에서의 선량측정이외에 환자의 치료선량 보증에 관한 중요성에 대해 역설했다.

진단방사선 및 핵의학분야에서도 국제방사선단위/측정위원회(ICRU)와 IAEA가 주도적으로 환자 선량측정에 있어 통일되고 표준화된 기본 틀을 제시해 선량측정의 정확성이 향상될 것으로 기대된다.

고정밀 방사선 치료기기 선량측정

국내에서도 환자별 맞춤 방사선치료를 위한 고가의 첨단방사선치료기기인 감마나이프 11대, 사이버나이프 2대, 토모테라피(Tomotherapy) 3대 등이 최근 급격히 설치돼 정위방사선수술(SRS) 및 세기변조방사선수술(IMRS)에 적용하고 있다.

이들 기기는 기존의 암치료에 사용하고 있는 선형가속기와 헤드(head)구조 및 기하학적인 구조가 다르기 때문에 이들 기기에서 방출되는 출력선량에 대한 정확한 측정이 어렵다.

이번 학회에서 이들 기기에 대한 출력선량의 정확성 및 안전성 확보를 위해 기존의 이온함 선량계이외에 다이오드, 필름, Gel, 유리선량계(Glass rod detector), MOSFET 등 다양한 검출기를 이용한 선량측정과 몬테카를로 방법을 이용한 물리적인 파라미터 계산 등 다양한 데이터가 제시됐다. 이번 자료를 통해 국내에서도 이 장비들을 보유하고 있는 기관에서는 방사선치료 성적 향상에 기여할 것으로 기대된다.

근접치료용 선원 물흡수선량으로 변환기대

외부방사선 출력선량 교정에 적용하고 있는 물 흡수선량 표준에 기초한 프로토콜이 근접치료용 선원 검·교정에 적용이 가능한지 여부에 대해 한양대 김성훈 박사팀과 로저(Rogers) 등 선량측정 석학들과 열띤 논의를 했다.

현재 근접치료용 선원 교정은 제작사에게 제공된 방사능의 세기(apparent activity)와 공기커마 세기(Sk)를 토대로 흡수선량을 계산하고 있다. 즉 표준기관에서 코발트-60 감마선 기준 선질에 대한 이온함의 물 흡수선량 교정정수를 직접 제공받아 사용자 기관에서 근접치료용 선원에 대한 선질변환계수(kQ)를 계산하여 기준점에서의 흡수선량을 정확하게 계산할 수 있다.

현재 식품의약품약청에 있는 코발트-선원에 대한 BEAM 코드 작업이 진행중에 있어 선질변환계수를 계산하게 되면 (선형가속기에서처럼 조사선량교정정수(Nx)에서 공기커마교정정수를 거쳐(Nk) 최근의 교정정수인 물 흡수선량교정정수(ND,W)로 변환되었듯이) 근접치료용 선원에서도 측정의 정확성 향상을 위해 방사능의 세기와 공기커마 세기에서 물 흡수선량으로 전환할 수 있을 것으로 생각된다.

몬테카를로 방법 이용한 선량평가경향

최근 몬테카를로 전산코드와 전산계산능력의 발달은 방사선량 계산에 새로운 경향성을 제공하고 있다.

국제원자력기구의 IAEA TRS-398과 미국의학물리학회의 AAPM TG-51과 같은 표준 측정법에 사용되고 있는 여러 가지 물리량에 대한 교정계수는 실험과 측정에 의해 정해지기 어렵기 때문에 몬테카를로 전산 코드를 사용하여 계산된 값들이 주를 이루고 있다.

하지만 이러한 교정계수 중에서 유효측정점(Malcolm McEwen, 2006)과 이온함벽 교란보정계수(Rogers, 2005) 등 일부는 이전 계산 값에 대한 심각한 문제 제기가 이루어지고 있으며, 새로이 계산된 값의 사용이 요구되고 있다.

또한 최근 방사선을 이용한 치료기법의 발달로 표준측정법이 제시하는 선량측정의 기준조건에서 벗어난 경우(IMRT, SRS 등)에 대한 선량측정이 요구되고 있다. 이런 경우 몬테카를로 커미션닝(commissioning) 방법을 사용한 선량계산이 이루어지고 있다(Javier Pena, 2006).

몬테카를로 방법을 이용한 방사선량 계산의 추세 변화는 이번 학회에서도 여러 발표를 통해 보여졌다. 특히 국제도량형국(BIPM)의 데이비드 번스(David Bruns)박사는 치료용 Co-60 원격조사기를 PENELOPE 코드를 사용하여 전산모사 했으며, 공기 공동과 매질간의 산란 차이로 인한 전자 플루언스의 교란에 대한 보정계수를 새로 계산했다.

이는 현재 사용되고 있는 보정계수가 새로 계산된 보정계수와 비교해 심각한 차이를 보여주고 있지만 흡수선량결정에 있어서는 0.29 - 0.44%의 작은 오차를 가지고 있다고 보고했다.

방사선량 계산을 위한 몬테카를로 코드에 있어서도 최근 괄목할 만한 변화를 보이고 있다. 포트란과 모트란의 프로그래밍 언어를 사용하던 EGSnrc와 BEAMnrc 등의 코드가 C++를 사용한 BEAMPP(새로 개발된 몬테카를로 전산코드)로 새로이 개발됐다.

이전 버전의 코드는 Graphic User Interface (GUI)를 사용하여 편리하게 전산모사 계산을 수행할 수 있다는 장점이 있지만 프로그램내에 만들어져 있는 계산모듈 이외의 계산은 불가능했다. 하지만 새로 개발된 코드는 C++ 코드를 기반으로 하여 사용자가 원하는 물리량 및 계산을 자유로이 프로그래밍을 통해 수행 할 수 있다는 장점이 있다.

*물 흡수선량 : 임상에서 관심있는 물리량

<기사제공 : 경희의대 방사선종양학과 신동오 교수>

IMRT  완치율 올리고 부작용 내리고

IMRT(Intensity Modulated Radiation Therapy:강도변조 방사선 치료)는 병변조직에 고선량의 방사선을 조사하여 환자의 완치율을 높이는 동시에 방사선 치료 부작용을 감소하는 치료법으로 각광받고 있다.

IMRT를 할 경우 전립선암 환자의 방사선 치료 부작용인 직장출혈(rectal bleeding) 감소 및 두경부 암 환자의 xerosomia 감소효과도 있어 미국 및 국내에서도 이런 치료법을 이용해 방사선 치료가 시행되고 있다.

이번 학회에서는 현재 강도변조 방사선 치료 시행과정을 1) 환자고정 2) 영상획득 3) 내부 구조물 contour 4) IMRT 치료계획 5) 치료계획용 파일 전달 6) 치료계획 확인 7) 환자 치료위치 확인 8) IMRT 치료 실행 등으로 분류해 각 스텝에서 고려되어야할 사항들에 대해 논의했다.

기계적 오차줄이는 몬테칼로

강도변조 방사선 치료계획 방법에는 치료계획사가 방사선 치료 방향 및 치료조건을 직접 결정하는 포워드 플래닝(forward planning)방법과 소프트웨어에게 필요한 목표 및 제한조건을 부여하고 최적의 치료방법을 결정하도록 하는 inverse treatment planning 방법으로 나뉜다.

현재 강조변조 방사선 치료 계획에 사용되는 알고리듬으로 pencil beam convolution 및 superposition 방법으로 선량 계산을 실행하는데 이러한 알고리듬은 IMRT를 구현하기위해 다엽 콜리매이터들을 이용하여 많은 수의 작은 조사야 들이 사용하는데 이때 다엽콜리메이터들의 기계적인 오차를 정확히 보정하는데 한계가 있다.

그러나 이번 학회에서는 개개의 광자의 수송을 계산하여 위에서 언급한 문제점을 해결 할 수 있는 몬테칼로 방법에 대한 논문이 많이 발표되었다.

특히 몬테칼로 계산에 사용되는 PMCEPT 코드, MCMP5, EGS4, DPM 코드들을 inverse planning에 적용한 연구가 주목을 받았으며 이러한 선량계산 방법을 이용한 치료계획 시스템은 현재 2개 회사에서 판매하고 있지만 계산 속도가 느리다는 단점이 있는데 이러한 문제점들이 개선된 시스템들이 마켓에 등장할 것으로 기대된다.

<기사제공 : 이대의대 방사선종양학교실 이레나 교수>