융합카페 구분 국가 기관명 제작비용 (건설포함) 치료착수 치료환자 수 (누적) HIMAC 218억 엔 ,158 명 운영 中 (7개) 건설 中 (7개) 계획 (6개) 일본 HIBMC 280억 엔 ,523 명 GHMC 205억 엔 명

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정하 준
8 years ago
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1 Vacuum 융합카페 의료용 중입자 치료기 진공 기술 강건욱 1. 서론 최근 급속한 고령화 등에 따라 암 환자수가 증가하고 국 민소득 증대에 따라 삶의 질(QOL) 우선 선택, 양질의 방사 선 치료에 대한 요구가 급증함에 따라 국내 외 의료계에 서도 암환자 치료에 대한 첨단치료방식이 급속하게 도입되 고 있다. 암 치료를 위하여 국내에 도입된 가속기를 이용한 방사 선 치료 기술을 살펴보면, 선형가속기에 의하여 발생된 X-선을 이용한 치료 방식인 토모테라피, 사이버 나이프, IMRT(세기조절 방사선치료), VMAT(입체세기 조절 회전 방사선 치료) 등이 있고, 원형 가속장치인 사이클로트론을 이용하여 양성자를 최대 230 MeV까지 가속하여 암 치료 를 하는 양성자 치료기가 도입되어 있다. 이러한 방사선 치 료는 조사된 방사선이 인체 내부로 들어가 암세포의 DNA 를 파괴하여 암세포를 죽이는 방식이다. 방사선 치료에서 중요한 사항은 암세포(종양)에 전달되 는 선량의 종양 적합성을 높이는 것, 즉 적합한 선량을 목 표물에 전달하는 것 이다. 환부 깊숙이 위치한 종양을 선 별적으로 조사하기 위해서 방사선 치료사들은 목표 종양을 중앙에 위치시키고 여러 방향에서 조사되는 복합 빔을 사 용한다. 이러한 복합 빔은 갠트리(회전치료장치)를 구성하 여 만족시킬 수 있다. 하지만 최신의 세기조절 방사선 치료 기법(IMRT)은 10~12배의 X-선을 사용하는데 빔은 선속 이 변하는 조사 면과 동일 평면상에 위치하지 않으며 그 조 사 영역은 컴퓨터에 의해 제어된 다엽 조준기에 의해서 변 하게 된다. [Fig. 1] 인체 내 깊이에 따른 방사선량 비교 가속된 입자 빔의 인체 내 선량곡선은 X-선과는 다른 경 향을 보이는데, 높은 에너지로 가속된 하전 입자는 물질을 통과할 때 적은 충돌로 인해 적은 선량을 전달하며 서서히 에너지를 잃다가, 특정 깊이에서 최대 선량을 전달한 후 정 지하게 된다. 이 때 전달된 최대 선량 피크를 Bragg peak 라 부른다. 입자 빔의 이러한 특성으로 중입자가 정상 세 포 조직의 피해 없이 여러 종류의 종양에 대한 국부조사가 가능해진다. 탄소 이온을 피부조직에서 25 cm 이상의 깊이에 도달하 기 위해서는 초기 에너지가 375 MeV/u (4500 MeV) 이상 이어야 한다. 이러한 이유로 상당히 큰 입자가속기가 중입 자 치료에서 필요하다. 또한 환자에 도달하는 이온빔의 전 류는 0.1 na 이상이어야 탄소 이온을 이용한 환자치료에 적용하기에 충분하다. 최근 10여 년 동안 양성자치료기는 미국과 일본을 중심 <저자 약력> 강건욱 박사는 2004년 연세대학교 물리학과에서 박사학위를 받았으며, 2004년부터 2006년까지 국민대학교 물리학과에서 박 사후 연구원을 거쳐서 2007년부터 한국원자력 의학원에서 선임연구원으로 재직중이며, 현재 의학원 산하 의료용 중입자 가속 기 사업단에서 가속기 진공 시스템을 개발하고 있다. 38 진공 이야기 Vacuum Magazine December

치료기가 도입되어 있다. 이러한 방사선 치 료는 조사된 방사선이 인체 내부로 들어가 암세포의 DNA 를 파괴하여 암세포를 죽이는 방식이다. 방사선 치료에서 중요한 사항은 암세포(종양)에 전달되 는 선량의 종양 적합성을 높이는 것, 즉 적합한 선량을 목 표물에 전달하는 것 이다.

2 융합카페 구분 국가 기관명 제작비용 (건설포함) 치료착수 치료환자 수 (누적) HIMAC 218억 엔 ,158 명 운영 中 (7개) 건설 中 (7개) 계획 (6개) 일본 HIBMC 280억 엔 ,523 명 GHMC 205억 엔 명 HIMAT 명 독일 HIT 1억 유로 명 GSI (치료 종료) 1997~ 명 중국 IMP-CAS 명 이탈리아 CNAO 1.3억 유로 명 누적치료환자 12,287명 Fudan University 3.3억 US달러 중국 HITFiL 1.5억 US달러 HITWiL 1.2억 US달러 일본 I-ROCK 독일 Marburg 1.2억 유로 오스트리아 Med-Austron 1.8억 유로 한국 KIRAMS 미국 Mayo - - 사우디아라비아 KACST - - 말레이시아 USM - - 대만 Chang Yung-Fa Foundation - - 러시아 ITEP - - 호주 ANSTO - - [Table 1] 중입자 치료시설 현황 (2014년 4월 기준) 으로 전 세계적으로 30여 기 이상 운영되고 있는 반면, 중 입자 치료기는 그동안 설치와 운영의 고비용 때문에 전 세 계적으로 국립기관을 중심으로 건설되어 왔다. 특히 독일 과 일본이 꾸준하게 중입자 치료센터를 늘리고 있고, 프랑 스, 오스트리아, 이탈리아 등 유럽과 미국, 러시아, 중국과 동남아시아 등에서 중입자 치료센터를 신설하고 있는 실정 이다. 하지만, 양산으로 인한 설치비용 저감, 높은 암 치료 성적으로 인한 의료계의 관심 집중, 기술개발 향상으로 인 한 치료기 크기 감소와 시스템 단순화 등으로 인해 향후 방 사선 치료기술에서 우위를 차지할 것으로 기대된다. 2. 중입자 치료시설 소개 탄소 중입자를 빛의 속도의 70%까지 빠르게 가속시켜 난치성 암세포를 치료하기 위하여, 의료용 중입자 가속기 사업단(KHIMA)에서 건설 중인 중입자 치료시설은 싱크로 트론 기반의 입자 치료시설로 부산시 기장군에 설치된다. 치료용 가속기의 전체 총 연장 길이는 354 m에 해당하며, 첫 번째, 두 번째 치료실로 이송되는 수직 빔라인의 높이는 18 m에 이른다. 중입자 치료기는 2개의 ECR 이온원 및 선 형 가속단을 가진 입사부, 주 가속장치인 싱크로트론 링, 그리고 3개의 치료실로 이송되는 고에너지 수송구간으로 구성된다. 표 2에서 보듯이 여러 가지 핵심장치들로 구성된 중입자 Vacuum 39

3 Vacuum 지하기 위하여 기반 기술인 진공 기술 측면에서 중입자 치 료기를 살펴보도록 하자. 3. 중입자 치료기 진공 요구 조건 의료용 중입자 치료기의 진공 시스템은 아래 세 가지 요 구사항을 만족하도록 설계되어졌다. [Fig. 2] 중입자 치료시설 내부 가속장치 배치 모습 가속기는 ECR 이온원에서 발생된 플라즈마로부터 탄소이 온 및 수소이온을 인출하여 적정 에너지로 가속한 후 빔 전 류의 손실을 최소화하여 환자가 있는 치료실로 이송하여야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 이온빔이 발생되고 수송되는 구간은 거대한 진공시스템으로 구성된다. 어떻게 보면 가속기 운영 시 모든 작업의 시작과 끝은 진공시스템 관리에 있다. 즉 초기 진공 배기로 가속기 운영이 시작되 고, 유지 보수를 위하여 가속기 내부 진공을 대기압으로 상 승시키면서 종료가 된다. 각 주요 부분의 최적의 성능을 유 - 탄소이온 가속을 위해 필요한 진공도 - 양성자 이온 가속을 위해 필요한 진공도 - 의료기기 환경에서 요구되는 신뢰성 확보 가속되는 탄소 이온 빔은 저 전류이므로, 주요한 문제 점은 잔류기체로부터 전자를 포획할 때 발생하는 손실이 다. 잔류기체의 대부분을 질소로 가정하면, 초기 입사 시(7 MeV/u) 진공도가 10-8 mbar 일 때 생존 시간(Life time) 은 0.43 초이며, 진공도가 10-9 mbar로 낮아지면 생존시 간이 4.3 초로 늘어난다. 최대 가속에너지(430 MeV/u)에 도달 했을 때는 진공도가 10-8 mbar 일 때 생존시간은 100 구분 주요장치 주요기능 입사부 가속부 인출부 ECRIS RFQ DTL LEBT/MEBT SYNCROTRON HEBT ㆍ 다종 다가의 이온빔 발생 ㆍ 14.5 GHz, 200 Watt 고주파 사용, 플라즈마 생성 ㆍ ECR에서 인출된 이온빔을 8 KeV/u에서 300 KeV/u까지 가속 ㆍ 고 효율의 번칭(bunching)을 통해 다음단계의 가속 효율을 향상 ㆍ 고주파를 이용하여 4개의 tips에 4극 전기장을 일으켜 이온빔 집속 ㆍ RFQ장치를 통과한 이온빔을 300 kev/u에서 7 MeV/u까지 가속 ㆍ Inter-digital H type 고주파 구조, 중이온 가속에 최적화 ㆍ Zero degree phase 빔 가속, 3 세트 사극전자석으로 빔 집속 ㆍ 빔 수송, 보정, 측정 ㆍ 빔 On/Off 제어 ㆍ 빔 전류량 단계별 제어 ㆍ원형 가속기 내부의 빔 전류를 극대화하기위해 다중 입사 방법(Multi-turn Injection)을 적용 ㆍ이온빔을 저장하고 430 MeV/u까지 가속하는 장치 ㆍ격자구조(Lattice Structure) 방식으로 세부장치 배열 ㆍ 빔 수송, 보정, 측정 ㆍ 빔 On/Off 제어 ㆍ 환자치료 사양에 적합하도록 4개의 수평라인(Horizontal line)과 2개의 수직 수송라인(Vertical line)으로 구성함. [Table 2] 중입자 치료기 주요장치 및 기능 40 진공 이야기 Vacuum Magazine March

어떻게 보면 가속기 운영 시 모든 작업의 시작과 끝은 진공시스템 관리에 있다. 즉 초기 진공 배기로 가속기 운영이 시작되 고, 유지 보수를 위하여 가속기 내부 진공을 대기압으로 상 승시키면서 종료가 된다.

4 융합카페 초 이상이다. 싱크로트론에서 각 진공도별 빔 손실률을 계 산하면 10-8 mbar에서 5 % 정도이고, 싱크로트론 내부 진 공도가 10-9 mbar가 되면 손실률이 0.5 %로 낮아진다. 탄 소 이온이 싱크로트론 링으로 초기 입사 후 7 MeV/u가 유 지되는 시간이 100 ms 정도이다. 또한 싱크로트론을 초기 진공 배기 후 시간이 경과되면, 질소는 배기가 되어 진공함 내부에 남는 대부분의 잔류 기체는 수소가 된다. 이러한 실 제 운영 시 조건들을 감안하면 위에서 계산한 손실률은 확 연히 줄어든다. 양성자 빔의 경우 초기 입사부에서 공간-전하 효과 (space charge effect)가 지배적이다. 주요한 문제점은 잔 류기체로부터 전자를 하나 포획하여 중성화되는 경우이며, 이와 같은 현상은 space charge tune shift에 영향을 끼친 다. 진공도가 10-8 mbar에서 중성화 효과로 발생되는 tune shift의 변화는 정도이다. 진공도가 10-9 mbar가 되 면, tune shift의 변화가 되는데 이 수치는 싱크로 토론 사극 전자석 에러 마진을 감안하여 계산한 tune 조정 값 수치인 0.001에 가깝게 된다. 따라서, 탄소 이온빔과 양성자 빔 가속을 위한 싱크로 트론 링에서의 이상적인 압력은 10-9 mbar 이다. 하지만, 10-8 mbar 이하의 압력도 허용 가능하다. 왜냐하면 이 압 력에서 탄소 이온빔의 손실은 5% 이하로 심각하지 않고, 탄소 및 양성자에서의 전자 포획은 입사되는 이온빔의 조 정을 위한 번칭 효과를 고려하면 과대 해석된 경향이 있 다. 결과적으로 주 링의 진공사양은 10-8 mbar 피크 압력 을 가지며, 평균 진공도는 10-9 mbar 에서 유지되어야 한 다. 의료기기로서의 신뢰성을 확보하기 위하여 치료를 받 기 위해 내원한 환자들에 대한 치료 계획 및 치료 시설 점 검을 위한 유지 보수 계획 등이 잘 유지되어야 한다. 이를 위하여 가속기 운영 중 임의 중단이 24시간을 초과해서는 안 된다. 정기적인 유지 보수 시 진공함 내부는 건조 질소 를 이용하여 벤팅하여야 하며, 이 경우 진공은 24시간 내 에 10-9 mbar로 복구될 수 있다. 하지만, 사고 혹은 예기치 않은 임의 중단 후 진공 복구 시간은 대기에 노출된 시간에 따라 달라진다. 습기는 진공함 내부에 수증기 흡착을 발생 시키며, 초기 진공 배기 시간은 대개 2시간 정도 소요된다. 수증기 노출 시 진공시스템의 정확한 성능은 예측하기가 힘들지만 일반적으로 수증기 노출 시 진공 복구시간은 베 이크 아웃 시스템이 없을 때는 48시간 정도 소요되며, 베 이크 아웃 시스템이 있을 경우 24시간 정도 소요된다. 가속기 운영은 10-8 mbar의 진공도에서 가능할 것으로 여겨지므로, 흡착된 가스들의 분리 배출을 위하여 일반적 으로 사용되는 저온 베이킹 시스템보다는 초고진공 가속링 진공함 내부 표면을 소수성 특성을 가지도록 표면 처리하 여 제작하고, 24시간 내에 10-9 mbar로 복구 될 수 있도록 급속 진공 배기장치를 구성하려고 계획 중에 있다. 4. 중입자 치료기 진공 장치 각 영역별로 진공 유지보수 및 관리를 효율적으로 하기 위하여 총 23개의 세부 섹터로 나뉘었다. 입사부 영역은 2 개의 ECR 이온원, LEBT, LINAC, 그리고 MEBT로 구성 되며 10-8 mbar에 해당하는 고진공(HV)영역이고, 싱크로 트론은 4개의 섹터로 분리되며 10-9 mbar에 해당하는 초 고진공(UHV)영역에 해당한다. 세 개의 치료실로 이송되는 인출부는 3개의 수평 빔라인과 2개의 수직 빔라인으로 구 성되며, 입사부와 같은 10-8 mbar에 해당하는 고진공 영역 이다. 이러한 진공 요구조건을 구현하기 위한 전반적인 시 스템의 구성에 대하여 아래 그림에 나타내었다. 진공함은 이극 전자석 진공함, 다극 전자석 및 진단장치 등으로 구성되는 직선 구간 빔 라인 튜브, 그리고 링과 인 출부에서 사용되는 특수 전자석들의 세라믹 진공함으로 구 성된다. 진공함 제작 시 특히 유의하여야 할 부분은 두 가 지 이다. 첫 번째는 빠른 자석의 변화에 따른 진공함에 유 도되는 Eddy current 효과를 감소시켜 줄 수 있는 진공함 설계이고, 두 번째는 얇은 vacuum window 파손 시 싱크 로트론을 보호해 줄 적절한 인터록 시스템의 구현이다. [Fig.3] 진공 시스템 장치 구성 배치도 Vacuum 41

주요한 문제점은 잔 류기체로부터 전자를 하나 포획하여 중성화되는 경우이며, 이와 같은 현상은 space charge tune shift에 영향을 끼친 다. 진공도가 10-8 mbar에서 중성화 효과로 발생되는 tune shift의 변화는 0.013 정도이다. 진공도가 10-9 mbar가 되 면, tune shift의 변화가 0.

5 Vacuum 200 um, 지름 400 mm인 Kepton film vacuum window 이다. 얇고 넓은 두께로 인하여 부주의로 진공 윈도우가 파 손될 수 있다. 초고진공 영역인 싱크로트론 링을 보호하 기 위하여 입사부와 인출부 부근에 Fast shutter를 장착하 여 라인 쪽에서 발생된 Leak나 진공 윈도우 파손으로 인한 [Fig.4] 연구용 스캐닝 빔 조사 라인 도면 Air shockwave를 방지할 것이다. 따라서 적정 사양을 결 정하기 위하여 윈도우 파손으로 발생된 pressure wave의 Eddy current 효과 속도를 알아야 한다. 싱크로트론의 이극전자석은 최대 자기장 변화율이 3 그림 5에서 보이듯이 여러 가지 상황을 고려하더라도 T/s에 이른다. 이와 같은 빠른 자기장의 변화는 요크 Pressure wave의 최고 속도는 2200 m/s이고, 이는 마하 lamination 뿐 아니라, 이극 전자석 진공함에도 유도 기전 6.6정도에 해당한다. 보수적으로 이러한 경우를 가정하여 력을 형성하여 Eddy current가 유발된다. 이와 같은 Eddy 적용하여 보면, 인출부 빔 라인 중 가장 짧은 구간은 세 번 current는 good field 영역에 형성되는 자기장의 세기를 째 수평조사 치료실(H3 라인)이며, 구간 길이는 m 감소시키고, 왜곡 시키므로 진공함에서 발생되는 Eddy 에 해당한다. H3 라인의 vacuum window에서 Leak가 발 current의 세기를 감소시키는 방향으로 진공함이 설계되 생하였을 때, Fast shutter 위치까지 도달하는 시간은 직 어야 한다. 진공함에서 발생하는 Eddy current를 줄일 수 선구간으로 가정하였을 때 대략 45.7 ms이다. 이 값보다 있는 방법은 전류의 흐름을 방해하는 저항값을 증가시키 짧은 시간에 동작하도록 Fast shutter를 구성하면, 초고진 면 되므로, 재질의 전기저항이 높은 재료를 사용하는 방법 공 영역을 효율적으로 보호할 수 있을 것으로 예상된다. 과 자기장에 수직방향이 되는 진공함의 두께를 작게 만드 는 방법이다. 비저항이 72 μωcm인 스테인레스 스틸 재질 5. 맺음말 인 경우 0.4 mm 두께에서 시간상수는 대략 40 us 이다. 이에 따른 자기장 왜곡은 요크 두께 1.5 mm에 해당하는 의료용 중입자 치료기 및 주요 기반 시설인 진공시스템 lamination에서 유발되는 자기장 왜곡보다 절반 정도로 줄 일반적인 사항과 진공함 설계 제작시 고려해야 할 주요한 어든다. 즉 진공함의 적정 두께는 최대 0.4 mm이하로 설 현상에 대하여 살펴보았다. 앞서 이야기 하였던 중입자 치 정하여야한다. 료기의 진공 요구조건은 현재 진공장치 산업의 기술이면 충분히 도달 가능하다고 판단된다. 하지만 중입자 치료기 Fast shutter 진공함 구성의 마지막 구성요소는 조사라인의 끝의 두께 는 환자를 치료하는 가속기 시설로 연구용과는 달리 장치 의 신뢰성(reliability), 장치의 대체 가능성(redundancy), 장치의 전기적, 기계적 안정성(stability) 등이 확보 되어야 의료기기 인허가를 받을 수 있다. 따라서 가속기 운영 및 유지 보수시 발생할 수 있는 진공 시스템의 여러 가지 문 제를 예측 가능하도록 표준 프로토콜을 개발할 계획에 있 으며, 이를 위하여 전기회로 분석법(Electrical Network Analysis)을 활용한 전산모사 방법을 연구 중에 있다. References [1] KHIMA Conceptual Design Report, 2014 [2] PIMMS(Proton-Ion Medical Machine Study) Part II, CERN/PS (DR). [3] P. J. Bryant, Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria. 6. 참고문헌 [4] Takiy et al, J. Vac. Sci. Technol. A, 17, 2059 (1999). [Fig.5] 빔 라인 직경과 파손 구경 크기 비에 따른 압력과 충격파 속도의 상관관계 42 진공 이야기 Vacuum Magazine March

이와 같은 빠른 자기장의 변화는 요크 Pressure wave의 최고 속도는 2200 m/s이고, 이는 마하 lamination 뿐 아니라, 이극 전자석 진공함에도 유도 기전 6.6정도에 해당한다. 보수적으로 이러한 경우를 가정하여 력을 형성하여 Eddy current가 유발된다.

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