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학술

병원별 방사선 치료품질 격차 해소할 측정표준 기술 개발

'Metrologia'에 게재

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방사선 암 치료 전국 어디서나 정확하게 받는다




한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 방사선표준그룹 선량측정표준팀은 방사선 치료의 정확도를 향상할 수 있는 측정표준 기술을 개발했다.

이번 기술 개발로 더 정확한 방사선 치료는 물론, 병원별 방사선 치료품질 격차 해소가 기대된다. 해당 기술을 자체적으로 개발·확보한 국가는 미국, 영국, 프랑스, 캐나다, 독일, 일본 등 한국을 포함해 전 세계 7개뿐이다.

방사선 치료는 고에너지 방사선을 사용해 암세포를 죽이는 방법이다. 수술, 항암 약물치료와 함께 널리 사용되는 암 치료법 중 하나로, 우리나라에서는 암 환자의 약 30 % 이상이 방사선 치료를 받고 있다.

정확하고 효과적인 방사선 치료를 위해서는 크게 두 가지가 필요하다. 바로 숙련된 의료진과 첨단 치료기기다. 첨단 치료기기의 경우 원하는 위치에 원하는 만큼 방사량을 조사하는 것이 중요하다.

국제방사선단위측정위원회(ICRU)는 환자가 받는 선량의 불확도를 5 % 이내로 유지하길 권고하고 있다. 즉, 치료기기의 정확도를 일정 기준 이상으로 관리하는 것이다. 

비싸고 좋은 기기라 해도 기기 간 방사선학적 차이가 존재하고, 또 시간이 지나면서 방사선의 특성 및 선량 등의 변화가 발생할 수 있다. 이에 지속적인 교정으로 치료기기의 선량을 정확히 유지하는 것이 필요하다.

문제는 교정에 사용되는 기준 방사선과 치료기기에 사용하는 기준 방사선이 다르다는 데 있다. 초기 방사선 치료기기에는 방사성 동위원소인 코발트 60에서 방출되는 감마선을 이용했지만, 오늘날에는 의료용 전자선형가속기에서 방출되는 고에너지 엑스선이 주로 사용된다. 

고에너지 엑스선은 환자의 체구와 환부의 깊이를 고려해 에너지를 바꿀 수도 있고, 건강한 조직에 전달되는 선량을 줄일 수 있어서 효과적인 치료가 가능하다.

두 가지 방사선 모두 광자라는 공통점이 있지만, 에너지가 다르기에 이론적인 관계식을 이용해 보정해야만 했다. 이로 인해 실제 병원에서 치료에 사용하는 엑스선 선량의 불확도는 커질 수밖에 없었다. 병원마다 사용하는 치료기기값의 차이도 커져, 병원별로 치료품질의 격차가 생겼다.

연구팀은 방사선의 에너지와 관계없이 치료 방사선의 선량을 절대적으로 결정하는 기술을 개발했다. 상대적 비교가 아닌 절대적 측정이므로 기존 방식보다 훨씬 더 정밀한 측정이 가능하다. 이번 연구의 핵심은 방사선에 피폭되는 매질의 온도 증가를 수십 μK 수준의 정밀도로 측정할 수 있는 열량계 기술이다.

연구팀은 흑연을 매질로 사용하고, 흑연 매질에 방사선을 쪼였을 때 올라가는 흑연 온도를 측정했다. 그리고 여기에 비열을 곱했다. 정밀한 몬테카를로 전산모사연구를 통해 구한 흑연과 물 간의 선량변환인자를 적용하여, 인체와 가장 유사한 물질인 물에 대한 정확한 선량을 결정했다.

KRISS 김인중 책임연구원은 “현재 열량계 기술에 대한 교정 서비스가 제공되고 있으며, 이를 이용할 경우 병원에서 측정하는 선량의 불확도를 기존대비 절반 수준으로 낮출 수 있다”라며, “앞으로도 국내외 병원의 선량 측정 품질보증에도 적극적으로 참여할 것”이라고 밝혔다.

과학기술정보통신부 방사선연구기반확충사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 측정표준 분야의 세계적인 학술지인 메트롤로지아(Metrologia, IF: 3.447)에 게재됐다.


 연구성과 추가 설명

○ 용어 설명

1. 의료용 전자선형가속기

전자를 고속으로 가속해 고에너지의 전자빔이나 엑스선을 얻을 수 있는 장비로 병원에서 암환자의 치료에 사용된다.


2. 선량

방사선의 양을 나타내며 방사선 치료에서는 인체와 구성이 가장 비슷한 물을 기준으로 하는 물 흡수선량을 사용한다. 물 흡수선량은 단위 질량의 물이 흡수한 방사선의 에너지로 정의된다.


3. 열량계

물리화학적 반응 또는 상태변화에 수반하는 온도변화의 측정을 통해 해당 반응 또는 변화에 관여한 에너지나 열량 등의 양을 측정하는 기구. 방사선 분야에서는 방사선에 조사된 매질의 온도변화를 측정할 경우 매질이 단위 질량 당 흡수한 방사선의 에너지를 직접 결정할 수 있어서 흡수선량의 최상위측정표준으로 활용된다.


4. 몬테카를로 전산모사

컴퓨터에서 난수를 이용하여 복잡한 물리적 현상을 확률적인 계산을 통해 모사하는 기법이다. 방사선의 수송 및 관련한 반응을 높은 신뢰도로 계산할 수 있다.


5. IAEA/WHO SSDL Network Program

국제원자력기구(IAEA)와 세계보건기구(WHO)에서 공동으로 운영하는 방사선량 측정보증 프로그램이다. IAEA 회원국 중 자국에 1차 선량표준기관(Primary Standard Dosimetry Laboratory, PSDL)이 없는 나라를 대상으로 한다. 이들 나라에 있는 최소한의 요건을 갖춘 임의기관을 이 프로그램의 네트워크 멤버로 지정하고 그 기관을 통해 마치 2차 표준기관처럼 측정표준 소급성을 제공하는 프로그램이다. 

한국표준과학연구원은 1차 표준기관 자격으로 이 프로그램의 제휴멤버(affiliated member)로 참여해 프로그램 내 일차표준 소급성을 제공한다. 참고로, 우리나라의 경우 국제적 공신력(ILAC MRA)이 있는 한국인정기구(KOLAS)에서 인정받은 공인기관들이 2차 표준기관으로 활동하고 있으며 그 측정표준 소급성은 한국표준과학연구원에 있다.


논문 및 지원사업 관련 정보

1. 논문명 및 주소
- Metrologia 57, 06001 (2020, IF: 3.447): 국제도량형국 주관 국제비교연구 결과

2. 지원사업 : 과학기술정보통신부 방사선연구기반확충사업



연구성과 사진



 
▲ KRISS 연구팀이 개발한 흑연열량계(우측 검은색 박스)






▲ KRISS 연구팀이 개발한 흑연열량계 내부 모식도




▲ 흑연열량계 작동 원리(영상 자료 캡처)




▲ 의료용 전자선형가속기 고에너지 엑스선에 대한 물 흡수선량 국제비교연구 결과





▲ KRISS 김인중 책임연구원(좌)팀이 개발한 열량계를 이용해 흡수선량을 측정하고 있다.




▲ KRISS 선량측정표준팀
(왼쪽부터 김인중 책임연구원, 김병철‧김윤호 선임연구원, 이철영 책임연구원)



연구팀 프로필 



[김인중 책임연구원]

1. 인적사항
·   성명 : 김인중
·   소속 : 한국표준과학연구원 방사선표준그룹 선량측정표준팀
·   직위 : 책임연구원  
·   전화 : 042-868-5845
·   e-mail : kimij@kriss.re.kr

2. 학력
·    2000, 서울대학교 원자핵공학 학사 
·    2007, 서울대학교 원자핵공학 이학박사 

3. 경력사항
·    2008 – 현재, 한국표준과학연구원
·    2017 – 2018, National Research Council Canada 방문연구원
·    2010 – 2010, National Institute of Standards and Technology 방문연구원
 
4. 수상실적
·    2010, 이달의 크리스인상

5. 전문 분야 정보
·   방사선 선량 표준
·   중성자방사화분석
·   방사선 선원 및 정밀계측

 6. 발표논문 및 특허
·   “Comparison BIPM.RI(I)-K6 of the standards for absorbed dose to water of the KRISS, Korea and the BIPM in accelerator photon beams ” Metrologia (2020) (I.F. 3.447) 외 SCI급 21편  
·   "엑스선 유도 초음파를 이용한 물 선량 측정 장치”등 국내외 특허 다수



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