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전기연구원(KERI) It, Tem (12)극초단 고에너지 전자빔을 이용한 암치료기술 개발
선형 가속기 기반 방사선 치료기에 활용
유희덕 기자    작성 : 2019년 07월 31일(수) 17:43    게시 : 2019년 08월 02일(금) 09:44
우리나라 암 환자는 고령화 및 생활습관 변화등으로 인해 지속적으로 증가하고 있다. 국가암정보센터의 통계에 따르면 1999년 10만명 수준이던 암 발생환자가 2016년 23만명으로 두배 이상 증가해 사회적, 경제적 비용과 국민 건강에 대한 위협이 날로 증가하고 있다. 암치료는 크게 보면 외과적 수술, 항암치료로 알려져 있는 화학요법, 그리고 방사선 치료를 통해 진행된다. 이중 방사선 치료는 인체 깊은 곳까지 투과가 가능한 고에너지 방사선을 이용하여 치료하는 방법으로 치료 시 환자의 고통이 다른 치료에 비해 적어 일상생활이 가능한 장점을 가지고 있다. 이 때문에 미국에서는 방사선 치료를 이용하는 암환자가 50% 수준이며 매년 2% 정도씩 증가하고 있다. 국내 또한 연간 6만명, 암환자의 26% 정도가 방사선 암치료를 이용하고 있다.

암 치료에 사용되는 첨단 방사선 암치료기는 일반적으로 선형가속기를 이용하는 장치가 주를 이루고 있다. 선형가속기를 통해 가속한 고에너지 전자빔을 금속막에 충돌시켜 x선을 발생하고 이를 암세포에 조사하여 암세포의 괴사를 유도하는 방법이다. 그런데 암세포는 일반적으로 정상세포에 둘러 싸여 있기 때문에, 정상세포도 x선에 의해 피해를 입게 된다. 따라서 정상 세포의 방사선피폭을 최소화하고 암세포에만 에너지를 집중하는 것이 방사선 암치료기 개발의 중요한 기술적 목표가 된다. 방사선의 범위를 제한하거나 여러 방향에서 방사선을 조사하는 방법 등이 개발되어, 국내에서 사용하는 약 200여기의 선형 가속기 기반 방사선 치료기에 활용되고 있다. 또한 최첨단 기술인 중입자 치료기는 브레그픽 현상을 이용한 좀더 안전한 치료 방법으로 국립암센터와 삼성서울병원에서 중입자중 하나인 양성자선을 이용하여 치료를 진행하고 있다. 차별적 치료효과로 인하여 다른 병원에서도 도입을 적극검토하고 있으나 기존 장비보다 수십배 높은 가격 때문에 확충에 어려움을 겪고 있다.

방사선 암치료기는 인체세포의 괴사를 유도하는 강력한 방사선을 이용하기 때문에, 고도화된 기술과 더불어 최고수준의 기술적 신뢰도가 요구된다. 그 높은 기준을 만족하는 것으로 평가되는 기업은 국제적으로도 많지 않다. 현재 Varian과 Elekta 두 업체가 국제적으로 높은 시장 점유율을 보이고 있고, Accuray등의 업체가 시장에 진입하고 있다. 안타깝게도 국내 산업기반은 매우 취약한 상황이고, 단편적 관련기술을 국산화하는 연구개발 사업이 일부 진행되고 있는 실정이다. 기존 기술을 빠르게 답습하여 독자기술을 성공적으로 확보한다고 해도 높은 시장진입 장벽을 넘기 어려울 것으로 예상되기 때문에, 적극적인 기술개발 및 산업화 추진을 망설일 수밖에 없는 것이 현실이다. 결국 방사선 암치료기 및 관련기술에 대한 높은 수입의존도는 향후 크게 개선될 가능성이 보이지 않으며, 날로 증가하는 첨단 암치료기에 대한 수요로 인하여 개개인은 물론 사회적 부담이 더욱 가중될 것이다. 이러한 상황을 타계하기 위해서는 기존 기술을 빠르게 따라잡는 기술개발 및 상용화 전략보다는 신기술을 선제적으로 개발하여 시장에 진입하는 전략이 더 효과적일 수 있다고 판단된다.

현재 방사선 암치료기는 RF 및 이를 이용한 전자빔 가속기술에 기반을 두고 있다. 이 기술은 일부 선진국에서 원천기술이 개발되었고 오랜 시간에 걸친 기술고도화를 통해 발전해왔기 때문에, 수많은 기술적 노하우가 농축되어 있다. 위에서 언급한 방사선 암치료기 관련 기술 및 산업의 특성을 고려해, 한국전기연구원은 전통기술을 따라잡기 보다는 독자 개발한 원천신기술을 확보하고 이를 기반으로 차별적 성능을 가진 암치료기를 개발하는 전략으로 연구개발사업을 진행하고 있다. 새로운 개념의 전자빔 가속기술과 펄스전자빔 발생기술이 그 핵심이다.

새로운 가속 기술 개발을 위해 고출력 극초단 레이저를 이용한 전자빔 가속 기술을 10년전부터 꾸준히 연구개발해 오고 있다. 신생기술로 볼 수 있는 레이저-플라즈마 가속기 기술은 수십 펨토초(천조분의 일초)의 극히 짧은 펄스 형태의 고출력 레이저와 플라즈마의 상호 작용에서 발생하는 플라즈마 항적장을 이용하여 전자를 가속하는 기술로 전자빔의 파도타기로 비유되곤 한다. 기존 기술 대비 1000배 이상의 강한 가속장 생성이 가능하여 소형 고에너지 전자빔 가속기 개발이 가능한 장점을 가지고 있다. 이는 새로운 형태의 암치료 기술로 이어질 것으로 기대되고 있다. 즉 기존 암치료기는 전자빔으로 만든 x-선을 암치료에 이용하지만, 신기술을 적용하면 전자빔 자체를 암치료에 활용할 수 있다. 이 방법은 기존 x-선 치료에 비하여 정상세포 피폭을 줄일 수 있는 차별적인 장점이 있을 것으로 기대되고 있고, 이미 유럽 등에서는 기존의 거대 가속기를 통해 얻은 고에너지 전자빔 기반 차세대 암치료 개발을 진행하고 있다. 레이저-플라즈마 가속기 기술이 완성되면, 훨씬 작고 실용적인 기술이 될 것이다. 또한 우리 기술로 관련 장비를 개발하면 국내 의료기기산업 경쟁력 제고는 물론이고 현재 대형 병원에 국한된 방사선 치료 기회를 중소형 병원으로 확장하여 더 많은 치료 기회를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

기존 RF 가속기나 소자의 성능 향상을 위한 극초단 펄스 전자빔 발생 기술 역시 개발 되고 있다. 이는 기존 가속기나 치료기 기술을 그대로 사용하나 장비의 성능을 향상하여 부가 가치를 높일수 있는 기술이다. 기존의 극초단 펄스 전자빔은 극초단 레이저와 공진기, 그리고 전자빔 발생원을 이용하여 만들고 있었다. 한국전기연구원은 레이저를 이용하지 않고도 단순한 다이오드 구조에서 이와 같은 극초단 펄스 전자빔을 발생시키는 신기술을 개발하고 있다. 아무도 시도해보지 않은 원천신기술 개발을 목표로 자체적인 이론모델을 개발했고, 3차원 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이론에 부합하는 신기술의 구현 가능성을 검증했다. 현재는 관련 부품 개발이 진행되고 있다.
한국전기연구원에서 개발중인 레이저 기반 전자빔 가속기와 극초단 펄스전자빔.

새로운 개념의 가속기 및 펄스전자빔 발생기술은 레이저, 전자빔 오실레이터, 암치료를 위한 전자빔 전환 기술등 다양한 주변 기술과 동시에 발전해야 한다. 따라서, 국내 전기, 전자, 의료 및 융합 기술 및 산업의 발전에 기여할 것이다. 그리 가까운 미래에 국내 기술로 완성된 안전하고 편리한 암치료기가 병원에서 사용되어 국민건강 증진과 첨단 의료기기산업 육성에 이바지하게 되길 희망한다.

김재훈박사, 전석기박사 (한국전기연구원 전기의료기기연구센터)


유희덕 기자 yuhd@electimes.com        유희덕 기자의 다른 기사 보기

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