감마나이프

[이정율(neonidas)]

감마나이프


정 현 태

서 론

인간의 머리 안에 있는 질환을 치료하는 것은 매우 어려운 의학 분야이면서도 프랑스, 페루, 북아프리카 등에서 발견된 선사시대 사람의 두개골에서 뇌수술 흔적이 발견될 정도로 오래 전부터 시도되어 왔다. 그러나 20세기 중반까지도 뇌종양이나 기형적으로 발달한 뇌혈관을 치료하는 유일한 방법은 머리를 열어 비정상 부위를 제거하는 개두술(craniotomy)이었다. 당시에는 뇌신경계의 구조나 기능에 대한 지식이 매우 부족한 상태에서 뇌수술을 시행하였기 때문에 상당한 후유증이 나타나는 등 수술결과는 좋지 않았다. 이런 상황에서 1951년 스웨덴 의사 렉셀(Lars Leksell)은 후유증을 줄이기 위해 뇌를 절개하지 않고 외부에서 방사선을 조사하여 뇌질환을 치료하는 "정위 방사선수술(stereotactic radiosurgery)"을 제안하고^[1] 이를 시도하였다. 그러나 그가 처음 사용한 200 kV X선은 에너지가 약하여 충분한 투과 깊이를 얻을 수 없었다. 반면, ⁶⁰Co에서 발생하는 감마선의 에너지는 1.17 MeV와 1.33 MeV로 투과깊이가 충분하기 때문에 안에 있는 병소를 제거할 수 있는 바, 1968년 렉셀과 물리학자 라손(Borje Larsson)은 ⁶⁰Co를 사용한 최초의 감마나이프를 제작하여 치료에 사용하였다^[2](그림 1). 1975년에는 179개의 ⁶⁰Co source를 반구상에 배치한 두 번째 감마나이프가 설치되었고 1980년대에는 ⁶⁰Co source 201개를 사용하는 감마나이프가 아르헨티나, 영국, 미국 등지에 설치되었으며 점차 감마나이프는 정식 뇌질환 치료 장비로 인정받기 시작하였다.

감마나이프를 이용한 뇌수술에서는 환자의 머리를 열지 않기 때문에 밖에서 뇌 안에 있는 병소를 관찰 할 수 있는 기술과 원하는 위치에 정해진 양의 방사선을 조사하는 기술이 반드시 필요하다. 1980년대 중반까지는 이런 기술이 감마나이프를 뒷받침할 만큼 발달하지 못하였기 때문에 감마나이프 수술 치료 결과는 썩 좋은 편이라 할 수 없었다. 1980년대 말에 이르러 MRI(Magnetic Resonance Imaging)가 본격적으로 사용되면서 뇌 내부를 보다 분명하게 관측할 수 있었고, 컴퓨터의 발달로 방사선 조사량과 분포를 정확하게 계산할 수 있게 되었다. 이런 기술 발달에 힘입어 정확도와 안전성이 획기적으로 개선된 감마나이프수술은 뇌질환 치료에 있어서 개두술에 필적하는 치료 결과를 보이고 있다. 1998년 말 현재 감마나이프는 전 세계에 약 120여대가 설치되었고 누적 치료 환자수는 10만명에 이르고있다.

감마나이프의 원리는 단순히 여러 방향에서 방사선을 조사하여 한 곳에 집중시키는 것으로써 간단한 원리의 적용으로 커다란 실용적 결과를 얻어낸 좋은 예라 할 수 있다. 이 글에서는 감마나이프의 기본 원리와 기술적 측면을 기술하고 다른 정위 방사선수술 방법에 대해서도 간단하게 살펴보고자 한다.

감마나이프 (Gamma Knife)

1. 원리

방사선 수술의 목표는 뇌 안의 병소를 제거하는 것이다. 그렇지만 단순히 감마선을 사람 머리에 입사시키면, 입사 초기에 에너지를 대부분 잃어버리는 감마선의 특성상(그림 2) 뇌 속 깊이 존재하는 병소보다는 피부나 정상 뇌조직이 방사선에 더 많이 노출된다. 따라서 뇌 안쪽 병소에는 집중적으로 방사선을 조사하면서도 병소 주변과 방사선이 지나는 경로에 조사되는 방사선은 최소화하는 특별한 방법이 필요하다. 감마나이프에서는 머리 주위에 ⁶⁰Co source 201개를 반구형으로 배치하여 각기 다른 방향에서 감마선을 조사하고 반구 중심에서 모든 감마선이 교차하도록 하여 이 목적을 달성한다(그림 3). 각 방향에서 들어간 감마선의 에너지 손실 곡선들이 중첩되면 중심에 최대 에너지 손실점(초점)이 형성되며(그림 2) 이곳에 있는 병소를 파괴한다. 방사선원 하나에서 나온 감마선이 지나가는 중간 경로에 있는 정상조직은 영향을 받지 않으면서 초점에 있는 병소는 파괴되도록 방사선원의 세기를 선택한다.

2. 구조

감마나이프는 스웨덴 일렉타사(Elekta, AB)가 제작 판매하고 있다(이 회사는 감마나이프 개발자인 렉셀 교수의 후손들이 운영한다). 비슷한 장비로 OUR Scientific International, Inc.에서 제작 판매하는 RGS(Rotating Gamma System)가 있으나 구조가 상당히 다르며, 감마나이프를 언급할 때는 거의 일렉타사 제품을 의미하므로 이 글에서도 이에 국한하여 기술한다. 세계적으로 사용되고 있는 감마나이프는 U-type^[3,4]과 B-type의 두 형식이 있으나 기본 원리 및 구조는 비슷하며, 현재 생산되고 있는 것은 B-type 뿐이기 때문에 B-type 감마나이프에 대해서만 언급하기로 한다. 그림 4는 B-type 감마나이프의 실물 사진이다.

감마나이프의 가장 중요한 부분인 방사장치(radiation unit)는 외경이 약 170 cm인 반구 형태를 하고 있으며 두께는 약 40 cm, 무게는 18톤 정도이다. 방사장치 내부에는 201개의 코발트 선원이 반구형으로 배치되어 있으며, 기계 설치 시 총 방사선량은 6,000 Ci (2,220 TBq) 정도이다. 각 코발트 선원은 길이 0.1 cm, 지름 0.1 cm의 원기둥 20개를 일직선상에 배치한 형태이며 선원에서 방출된 감마선은 원뿔형 시준기를 통과하여 초점에 모이는데 선원에서 초점까지의 거리는 40.3 cm이다(그림 5).

감마나이프의 헬멧은 두 가지 역할을 한다. 먼저 치료 시에는 환자의 머리를 헬멧에 고정하는데 이는 초점에 병소를 위치시키고 머리를 움직이지 못하게 하여 엉뚱한 곳에 방사선이 조사되지 않도록 하는 것이다. 다음으로 헬멧은 최종 시준기 역할을 한다. 헬멧에는 방사장치와 같이 201개의 구멍이 뚫려 있는데 치료 시에 이 구멍들은 방사장치의 시준기 구멍들과 정확하게 일치한다. 따라서 헬멧에 뚫어 놓은 구멍의 크기를 다르게 함으로써 최종 초점에 형성되는 방사선양과 분포를 조절할 수 있으며 실제 감마나이프에서는 각각 지름 4, 8, 14, 18 mm의 구멍이 뚫려있는 4가지 헬멧을 사용한다.

감마나이프의 실제 적용

감마나이프는 현재 청신경종양, 뇌수막종, 전이성 뇌종양 등 각종 뇌종양과 뇌혈관 기형, 그리고 파킨슨씨병과 같은 뇌기능적 질환 치료에 이용되고 있다. 감마나이프수술을 성공적으로 수행하기 위해서는 (1) 뇌 내 병소 위치와 크기를 파악하고, (2) 병소 부위 방사선 분포를 계산한 뒤, (3) 계산된 방사선을 정확하게 조사함과 동시에, (4) 병소 주위 정상조직에 조사되는 방사선양을 최소화하여야 한다.

1. 뇌 내 병소의 파악

뇌 안의 병소를 제거하기 위하여 머리를 여는 것은 환자는 물론이고 의사에게도 커다란 부담이다. 따라서 되도록 머리를 적게 열어 환자의 부담과 수술에 따르는 위험성을 줄이는 최소 침습적(minimally invasive) 뇌수술이 최근 뇌수술의 경향이다. 하지만 머리를 적게 열수록 안을 볼 수 있는 범위가 작아지고 결국 눈으로 직접 병소를 찾아가는 대신 뇌를 촬영한 영상을 기반으로 하여 좌표계를 설정한 뒤 이 좌표계를 기준으로 하여 뇌수술을 시행하게 되었으며 이러한 뇌수술을 정위 뇌수술(stereotactic neurosurgery)이라 한다.^[8] 뇌 촬영 영상으로는 1970년대 등장한 CT(Computed Tomography)와 1980년대부터 본격적으로 사용된 MRI 등이 주로 이용된다. MR 영상을 사용하면 CT 영상에 비해 훨씬 선명하고 자세하게 뇌 내 구조를 파악할 수 있지만 사용하는 자기장의 비균질성으로 인해 영상의 일부가 찌그러지는 왜곡(distortion) 현상이 나타난다. 왜곡 현상을 보정하기 위한 여러 방법이 개발되어 실제로 적용되고 있으나 MR 영상을 사용할 경우에는 반드시 정기적으로 영상의 왜곡 정도를 측정하여 허용 범위 내에 있는가를 확인하여야 한다.

좌표계를 설정하기 위하여 환자의 머리에 그림 6과 같은 틀을 씌우고 CT 또는 MR 영상을 얻으면 그림 7과 같이 뇌 영상 주위에 점들이 나타나는데 이 점들을 기준으로 하여 뇌 내 각 점의 좌표를 계산할 수 있다. 뇌정위수술에서 요구하는 영상의 정확도는 ±1 mm 정도이다. 이 영상에서 계산된 뇌 내 병소의 좌표에 적절한 수술 도구를 집어넣어 병소를 제거하거나 조직을 얻어낸다. 이러한 과정에서 수술 도구를 안에 넣는 대신 병소의 위치에 방사선을 집중시켜 머리를 전혀 열지 않으면서 병소를 제거하거나 성장을 억제하는 것이 정위 방사선수술이다.

2. 방사선 분포 계산

감마나이프에서 최종적으로 필요로 하는 방사선 분포를 알아보기 위하여 먼저 어떤 방식으로 병소를 치료할 것인가를 살펴본다. 앞 감마나이프의 원리에서 설명한대로 병소를 치료하기 위해서는 병소를 헬멧의 초점에 놓는다. 이 때, 물론 병소는 점이 아닌 일정한 부피를 가진 입체이다. 한편 초점에는 201개 서로 다른 방향에서 입사한 감마선이 교차하면서 최대조사점(maximum dose point)이 만들어지고 초점에서 멀어질수록 감소하기는 하지만 주위에도 방사선이 조사된다. 따라서 어느 정도의 방사선이 병소에 들어가는가를 먼저 결정해야 하는데 보통 최대조사점의 50 %에 해당하는 표면이 병소를 에워싸게 만든다. 감마나이프에서 50 % 표면으로 이루어지는 입체는 아래위가 납작한 찌그러진 구형이다. 결국 병소를 초점에 위치시킨다는 것은 두 입체(병소와 50 % 입체)를 겹치게 만드는 것이다. 한편 환자마다 병소의 크기가 다르기 때문에 최종 시준기로 구멍 크기가 다른(4, 8, 14, 18 mm) 4가지 시준기 헬멧을 사용한다.

병소 모양이 납작한 구형이고, 크기가 위 4가지 크기 중 하나와 일치한다면 병소 위치를 고정하고(병소 중심과 초점을 일치시키고) 필요한 만큼 방사선을 조사하면 된다. 하지만 실제 병소 모양은 대부분 불규칙하며 크기도 여러 가지이므로 50 % 입체 여러 개를 사용하여 병소를 에워싸도록 해야 하는데 각 50 % 입체의 중심을 "isocenter"라 부른다. 두 isocenter를 가까이 놓으면 방사선 분포가 중첩되어 아령 모양이 되기 때문에 정확한 비유는 아니지만, 여러 isocenter를 사용하여 병소를 에워싸는 과정은 지름이 다른 구슬들을 사용하여 주어진 모양의 병을 채워나가는 것과 비슷하다고 할 수 있다.

이와 같이 최종적으로 필요한 것은 여러 isocenter들에 의한 방사선들이 중첩된 결과이다. 이를 위해서는 하나의 isocenter에 의한 분포를 알아야 하는데 이것은 또 201개 서로 다른 방향에서 조사된 감마선들이 중첩된 것이다. 따라서 계산의 시작점은 한 방향에서 조사된 감마선의 양과 분포가 된다. 감마나이프 방사선원의 선량과 시준기 구조는 정밀하게 측정되어 있기 때문에 한 방향에서 조사된 감마선의 선량 및 분포를 계산할 수 있다.^[3,6,7]

방사선의 절대양은 이온상자(ion chamber), TLD(thermoluminesent dosimeter), 다이아몬드 검출기 등을 사용하여 측정하며 분포는 radiographic film, dosimeter gel 등을 사용하여 측정하는데 요구되는 정밀도는 ±0.5 mm 이하이다.^[8,9] 초점에 형성되는 peak의 FWHM은 사용하는 헬멧의 종류에 따라 다른 바, 8 mm 헬멧을 사용하였을 때는 11.2×11.2×9.2 mm이다. 그림 8에 8 mm 헬멧에 의한 선량분포를 나타내었다.

환자를 치료할 때는 각 헬멧의 초점에서 측정한 절대 선량을 기준으로 감마선이 초점에 도달하기까지 지나간 생체조직의 두께를 고려하여 절대선량을 계산한다. 초점 주위의 방사선 분포는 계산 및 실험으로 검증된 그림 8과 같은 분포 곡선을 사용한다.

3. 방사선 조사

병소 위치 및 크기가 정확하게 파악되고, 조사할 방사선량과 분포가 정해지면 환자치료를 시작한다. 이 때 원하는 방사선을 얼마나 정확하게 병소에 조사시키는가 하는 문제는 주로 기계적인 정밀도와 정확도 문제이다. 먼저, 병소를 에워싸기 위하여 사용한 isocenter 위치에 맞추어 환자의 머리를 시준기 헬멧에 고정시키는데 고정 오차는 ±0.2 mm이다. 치료가 시작되면 방사능 차폐문이 열리고 환자가 누워있는 침대가 방사장치 안으로 들어간다. 침대가 다 들어갔을 때는 앞 감마나이프 구조에서 기술한 바와 같이 방사장치에 있는 시준기 중심이 헬멧에 뚫려있는 해당 시준기의 중심과 일치하게 되는데 이 때 오차는 ±0.1 mm이다. 한편 201개 서로 다른 방향으로 배치된 시준기들의 중심선은 모두 초점에서 만나야 하지만 실제로는 조금씩 어긋날 수 밖에 없으며 이 오차는 ±0.3 mm이다. 따라서 방사선을 조사할 때 발생하는 최종 기계적 오차는 ±0.4 mm가 된다.

4. 정상조직 보호

병소에는 많은 방사선을 조사하면서도 주위 정상조직을 보호하기 위해서는 방사선 분포의 기울기가 급할수록 유리하다. 기울기는 보통 방사선이 80 %에서 20 %까지 감소할 때 필요한 거리로 측정하는데 감마나이프 4 mm 시준기 헬멧은 1∼3 mm이고, 18 mm 시준기 헬멧은 3∼10 mm이다. 따라서 병소 주위에 방사선에 약한 조직이 있을 때는 작은 시준기 헬멧을 사용하여야 한다.

감마나이프의 발전 전망

감마나이프 관련 현재 연구되고 있는 분야는 주로 수술의 정확도를 향상시켜 안전성을 제고하는 것이다. 먼저 기계적 오차를 줄이기 위해 isocenter 위치를 컴퓨터 원격 조정 하에 자동적으로 조정하는 장치가 1998년 개발되었으며 향후 감마나이프를 설치하는 곳에 설치 옵션으로 제공될 것이다. 한편, 4 mm 시준기 헬멧의 초점에 형성되는 peak의 FWHM은 5 mm 정도로 작기 때문에 사용할 수 있는 검출기의 크기가 제한된다. 현재 4 mm 헬멧 초점에서 측정한 절대방사선량은 최대 8 % 정도 상이한 값들이 보고되고 있다. 의학적 측면에서 이 정도 변동은 큰 문제가 되지 않으나 물리적으로 결국은 해결하여야 할 문제로 보고 있다.

의학적 측면에서 현재 감마나이프수술을 비롯한 방사선수술은 일반적으로 수술에 대한 보조 수단으로 이루어지고 있으며, 특히 여러 가지 요인으로 인해 수술을 받을 수 없는 환자들에게는 아주 중요한 역할을 하고 있다. 더욱이 감마나이프 수술 치료 결과가 축적되면서 수술 못지 않은 좋은 결과들이 많이 보고되고 있기 때문에 일부 뇌질환에 대해서는 처음부터 수술대신 사용될 수 있는 치료 수단으로 발전하여 나갈 것으로 전망된다.

다른 방사선 수술 기법

감마나이프가 등장하게 된 근본 목적은 특정 부위에만 방사선을 조사하고 주위로 나가는 방사선은 최소화하는 방사선의 국소화(localization)이다. 현재 세계적으로 시행되고 있는 방사선 수술 기법들에 대해 간단하게 살펴보도록 한다.

1. 중(重)이온 가속기 (heavy ion accelerator)

양성자 또는 중(重)이온을 가속하여 머리에 입사시키면, 에너지 손실 곡선은 Bragg peak를 따른다. 즉, 초기 정상 뇌조직 부위에서는 적은 양의 에너지를 잃어버리다가 병소에서 멈출 때 많은 양의 에너지를 잃어버리고 더 이상 전진하지 않아 그림 2의 중첩된 감마선과 비슷한 모양이 된다. 적절한 에너지를 선택하면 중이온은 병소 위치에서 멈추고 더 깊이 진행하지 않기 때문에 방사선수술에 아주 적합하다. 이런 이유로 방사선수술 초기에는 싸이클로트론으로 가속한 양성자를 이용한 방사선수술이 많이 시도되었으나^[10,11] 장비가 고가인 관계로 확산되지 못하고 현재 몇 군데에서만 이 방법을 이용한 방사선 수술을 시행하고 있다.

2. 전자선형가속기 (electron linear accelerator)

전자선형가속기는 암치료를 위해 거의 모든 대단위 병원에 설치되어 있는 장비로 전자를 가속한 뒤 얇은 금속막에 입사시킬 때 전자가 감속되면서 발생하는 광자를 사용한다. 일반적 의료용 전자선형가속기는 광자 선속(photon beam) 크기가 수 cm로 클 뿐 아니라, 한 쪽 방향으로만 광자를 쏘기 때문에 방사선수술에는 사용되지 않았다. 1980년대 중반에 이르러 감마나이프수술의 좋은 성적들이 발표되면서 방사선 수술에 대한 많은 관심이 일어났고 전자선형가속기를 변형한 방사선수술이 시도되었다.^[12] 변형된 전자가속기에서는 선속 크기를 작게 하기 위해 2차 시준기를 부착하였다. 정상 조직을 보호하기 위해서는 한 방향으로 계속 감마선을 조사하는 대신 환자 머리 주위로 회전시켜가면서 감마선을 조사하였다(그림 9). 한번 회전할 때마다 하나의 호(arc)가 형성되며, 회전 중심에는 감마나이프 초점과 같이 여러 방향에서 입사한 감마선들이 교차하는 점이 생기고(그림 10) 결과적으로 그림 2의 중첩된 선량곡선과 비슷한 선량곡선을 만들 수 있다.

감마나이프에 비해 움직이는 부분이 많기 때문에 정확도는 떨어지지만 이미 선형가속기를 가지고 있던 병원에서는 적은 비용으로 기존 가속기를 변형하여 사용할 수 있어서 이 방법은 점차 확산되었다. 최근에는 상업용 방사선수술 전용 전자선형가속기들이 판매되고 있으며 정확도면에서도 감마나이프에 비해 못하지 않다고 주장하고 있다.^[13]

3. 기타

지금까지 살펴본 방사선수술법은 모두 몸 밖에서 안으로 방사선을 조사하는 방식을 취하고 있다. 이와는 반대 개념으로 몸 안 병소에 방사선원을 집어넣어 병소를 파괴하려는 방법도 개발되어 시행되고 있는데, 방사선을 사용하여 병소만 파괴하고 주위 조직은 보호하려는 기본 목적은 동일하다. 병소에 방사성 동위원소를 일정량 주입하고 붕괴 과정에서 발생하는 방사선으로 병소를 파괴하는 치료법을 brachytherapy라 한다.^[14] 방사선 동위원소 대신 X-선 발생장치를 주입하여 방사선수술을 시행하는 장비도 개발되어 시판되고 있다.^[15]

참 고 문 헌

[1] L. Leksell, Acta Chir. Scand. 102, 316 (1951).

[2] L. Leksell, Acta Chir. Scand. 134, 585 (1968).

[3] A. Wu et al., Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys. 18, 941 (1990).

[4] A. Wu, Neurosurg. Clin. N. Am. 3(1), 35 (1992).

[5] N. R. al-Rodhan and P. J. Kelly, Stereotact. Funct. Neurosurg. 58, 60 (1992).

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[7] P. S. Nizin, Med. Phys. 25(12), 2347 (1998).

[8] A. H. Maitz et al., Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys 32(5), 1465 (1995).

[9] L. E. Olsson et al., Radiother. Oncol. 24(2), 82 (1992).

[10] B. Larsson et al., Nature 182, 1222 (1958).

[11] J. H. Lawrence et al., J. Neurosurg. 19, 717 (1962).

[12] O. O. Betti and V. E. Derechinsky, Acta Neurochirugica 33(supl), 385 (1984).

[13] M. Schwartz, CAMJ 158(5), 158 (1998).

[14] M. W. McDermott et al., Neurosurg. Clin. N. Am. 1(4), 801 (1990).

[15] M. Dinsmore et al., Med. Phys. 23(1), 45 (1996).

정현태 박사는 서울대학교 대학원 물리학과 이학박사로서 한국원자력 연구소 Post doctor를 거쳐 현재 서울대학교 병원 신경외과 전임강사대우 로 재직 중이다. (mailto:htchung@medikorea.net)

[심민경]

사진이 안 뜨네요.....

[조진영(미소)]

레포트쓰는데 참고했답니다. 감사해요