암을 치료하는 방법에는 항암제 치료와 방사선 치료, 그리고 꿈의 치료방법이라 불리는 양성자 치료가 있다. 모두 나름대로의 장단점이 있지만, 항암제와 방사선을 사용하는 방법의 가장 큰 단점은 다른 조직이나 장기가 손상되는 부작용이 크다는 점이다.

반면에 양성자 치료 방법에는 부작용이 거의 없다. 양성자 치료 방법은 양성자 빔을 환부에 쬐일 때 발생하는 엄청난 에너지로 암 조직을 괴사시키는 방법이다. 따라서 양성자 치료의 장점은 별다른 부작용 없이도 치료 효과를 볼 수 있다는 점과 기존 방사선 치료 방법으로는 어려운 부위도 적용이 가능하다는 점이라 할 수 있다.

그런데 최근 영국과 남아프리카공화국의 공동 연구진이 이 양성자 빔을 활용하여 암 치료 효율을 개선할 수 있는 신형 스캐너를 개발했다는 소식이 외신을 타고 전해져 화제가 되고 있다. 물리과학 전문 매체인 피직스월드(physicsworld)는 이 시스템이 환자의 몸을 투과하는 양성자를 추적하여, 양성자 빔이 암 환자의 환부에 어떻게 작용하는지를 의사들에게 상세하게 알려주는 역할을 한다고 보도했다.

암 치료 효율을 높여주는 양성자 빔

지금까지의 양성자 치료는 환자들이 본격적인 치료에 들어가기 전, 의료 물리학자들이 양성자 빔에 의해서 전달되는 적합한 방사량을 계산해서 의사에게 전달해야만 했다. 이때의 방사량 계산은 전통적인 컴퓨터 단층 촬영을 통해 치료 부위를 파악하고, 이 정보를 이용하여 얼마나 많은 에너지가 양성자 빔으로부터 흡수될 수 있는지를 파악하는 방식을 활용한다.

그러나 이런 방식은 불확실성이 발생할 수 있다는 것이 대다수 의료 물리학자들의 의견이다. 따라서 그동안 많은 과학자들이 방사량 계산을 정확히 할 수 있는 방법을 찾고 있었다. 그런 상황에서 최근 영국과 남아프리카공화국의 공동 연구진으로 구성된 프라브다(PRaVDA) 컨소시엄이 주목할 만한 연구결과를 발표한 것이다.

프라브다라는 명칭은 ‘양성자 방사선 치료 검증 및 선량 측정 응용’을 의미한다. 그리고 이를 나타내는 영문인 ‘Proton Radiotherapy Verification and Dosimetry Applications’의 앞 철자만을 따서 만든 이름이다.

프라브다 연구진은 실리콘 기반의 활성 픽셀 센서 기술을 기반으로 하여 양성자 투과 CT스캐너(Computerized Tomogrphy Scanner)를 디자인하고 제작했다. 이 스캐너는 치료 부위를 양성자 빔에 노출시켰을 때, 신체를 통과한 양성자를 검출하는 기능을 가지고 있다.

이런 기능은 치료해야 할 부위의 3차원 이미지를 제작하는데 사용된다. 또한 이런 활성 픽셀 센서 스캐너는 기존의 열량 검출기에 비해서 한 번에 양성자 한 개 이상을 추적할 수 있기 때문에, 스캔 수행에 걸리는 시간을 대폭 줄여준다.

최근 연구에서 프라브다 연구진은 다이너마이트(DynAMITe)라는 명칭의 센서가 자신을 통과하는 개개의 양성자를 구분할 수 있음을 확인했다. 다이너마이트는 방사선에 강한 내방사선(radiation-hard) 센서로 한 층은 100마이크로미터(µm) 픽셀이고, 또 다른 층은 50마이크로미터 픽셀로 되어있다.

공동 연구에 참여하고 있는 가빈 폴루드니오우스키(Gavin Poludniowski) 연구원의 설명에 따르면, 이 센서가 디바이스에서 한 번에 하나 이상의 양성자가 통과하는 것을 측정할 수 있는 것으로 나타났다. 그리고 이런 성능은 한 번에 한 개의 양성자만 다룰 수 있는 기존 열량계 기반의 센서보다 더 뛰어난 것으로 드러났다.

망원경 역할을 수행하는 양성자 스캐너

양성자 CT스캐너는 본질적으로 망원경(telescope) 역할을 하는 센서들이 환자를 거쳐 가는 양성자의 에너지 손실을 파악하는 기능을 가지고 있다. 또한 다른 탐지기들과 함께 센서로부터 확보한 데이터는 환자에게서 나온 양성자의 방향도 역시 파악할 수 있다.

뿐만 아니라 이런 기능들을 가지고 있으면, 환자를 거쳐서 나오는 양성자의 경로를 재설정하여 재구성할 수 있다. 이는 산란 없이 선형 궤적을 가정하는 탐지기들에서 얻어지는 것들보다는 탁월한 공간 분해능의 이미지를 만들어 낼 수 있다는 것을 의미한다.

이런 기능들을 토대로 공동 연구진은 우선 유명 연구시설의 양성자 빔 설비를 활용했다. 영국 버밍엄대가 보유하고 있는 MC40 사이클로트론에서 나오는 36메가일렉트론볼트(MeV)의 빔 및 남아프리카공화국 솜머셋웨스트대 가속기기초과학 연구소내의 치료시설에서 나오는 200메가일렉트론볼트 빔을 센서에 쏜 것이다.

테스트 결과 0.1나노암페아(nA)까지는 빔 선류(current)에 비례하여 선형적으로 증가했다가 그 이후에는 감소하는 데이터를 확보했다. 그리고 개별 양성자가 탐지됐음을 알려주는 센서 픽셀에 쌓이는 펄스와 일치하는 데이터도 수집됐다.

뿐만 아니라 다른 장소인 몬테카를로에서 시행한 시뮬레이션 결과와도 일치했다. 이 같은 점은 센서에 의해 계수되는 양성자의 증거를 제공하는 것과 마찬가지라는 것이 공동 연구진의 설명이다. 이것으로 양성자 계수 성능이 증명됐다.

또한 두 개의 다이너마이트 센서를 함께 포개는 식으로 더블 다이너마이트를 구성했을 때, 두 센서의 테스트 분포도 서로 일치했다. 이것은 두 센서가 동일한 양성자를 검출한다는 것을 나타내며, 우수한 추적 성능을 가지고 있음도 확인시켜 준 것이다.

한편 빔 선류의 변동은 교락인자(confounding factor)라는 것을 써서 제거하면, 연구원들이 관찰한 높은 상관관계가 있는 양성자를 두 센서가 탐지할 수 있다. 그리고 센서의 추적 성능도 확인할 수 있다.

이 같은 개념 증명이 확립된 후, 연구진은 현재 프레임 속도를 높이는 것을 위주로 하는 향상된 성능을 위해서 다이너마이트 센서를 다시 디자인하고 있다. 특히 양성자 CT스캔이 수천만 개의 이미지 프레임을 요구하는 것을 고려하여, 그들은 수 분 내에 스캔을 마치기 위해 전체 센서 영역을 1000헤르쯔(Hz)의 프레임 속도로 읽어내는 것을 목표로 하고 있다.

현재 프라브다 컨소시엄에서는 오는 2015년 말까지 새로운 방식으로 첫 스캐닝을 하고 있다. 그리고 그 이후 기업과 손잡고 상용화한다는 것을 목표로 현재 디바이스를 제작하고 있는 것으로 알려졌다.