탄소 이온 중입자가속기 치료의 역사와 운영현황

탄소 이온 중입자가속기 치료

■ 탄소 이온 중입자가속기 치료의 역사와 운영현황

• 탄소 이온을 이용한 중입자 치료는 수술이 불가능하고, 일반적인 방사선치료에 저항성을 보이는 암 치료에 적용할 수 있는 혁신적인 방사선 치료 방법이다.
• 중입자 치료는 광자나 중성자에 비해 심부 종양 치료에서 고선량 분포가 우수하며, 선형에너지전달(LET)이 높은 특징으로 인해 광자나 양성자보다 생물학적 효과가 뛰어난 치료다.
• 또한 탄소 이온의 생물학적 특성과 탄도적 특성으로 인해 광자나 양성자 방사선 치료에 비해 치료 기간을 크게 단축할 수 있다.

 

Lawrence Berkeley Laboratory (LBL)

• 1946년 R. R. 윌슨(Wilson)이 처음으로 양성자와 이온 같은 하전 입자의 임상 적용을 제안하였다.
• 10년 후, 캘리포니아의 로렌스 버클리 연구소(Lawrence Berkeley Laboratory, LBL)에서 방사선 치료가 시작되었다.
• 1945년 양성자 치료를 시작으로 가벼운 이온을 이용하여, 1957년부터 1974년까지 2,000명이 넘는 환자에게 헬륨과 더 무거운 입자를 이용한 치료가 시행되다. 
• 1974년부터 센터가 폐쇄된 1992까지 네온 이온을 이용하여 433명의 환자를 치료했다.
• 탄소 이온을 이용한 치료는 거의 없었다.
• 네온 이온은 다양한 암종에서 적용되었는데, 주로 척색종(chordoma), 연골육종(chondrosarcoma), 수막종(meningioma), 선양낭성암종(adenoid cystic carcionma, ACC)과 같은 다양한 두개저 종양과 골육종(osteosarcomas), 천추골 척색종(sacral chordoma), 교모세포종(glioblastoma), 담관암(cholangiocarcinoma), 두경부 편평세포암(head and neck squamous cell carcinoma), 전립선암(prostate cancer)의 치료에 사용되었다.
• 여러 심각한 제한(수평 고정빔, 당시 영상 품질의 한계, 빔 가동 시간의 제한)에도 불구하고, 로렌스 버클리 연구소의 데이터는 방사선 저항성 종양의 치료에서 (네온 이온의) 높은 국소 종양 제어를 보이고, 고 LET 입자를 이용한 치료의 실현 가능성과 안전성을 입증한 첫 보고였다.

 

National Institute of Radiological Sciences (NIRS)

• 일본의 중이온 방사선 치료는 1984년에 시작되었다.
• 1993년 10월 일본 치바 국립방사선과학연구소(National Institute of Radiological Sciences, NIRS)에서 완공되어 치바의 중이온 의료 가속기(heavy ion medical accelerator in Chiba, HIMAC)로 명명되었다.
• NIRS에는 수직 및 수평 빔 라인이 갖춰진 치료실을 3개 보유중이다. 수직 탄소 이온 빔의 가속 에너지는 290 MeV 또는 350 MeV이고, 수평 빔의 가속 에너지는 290 MeV 또는 400 MeV다. 물속에서 290 MeV 빔은 약 15 cm, 350 MeV의 빔은 20 cm, 400 MeV의 빔은 25 cm의 비정을 가진다. 최대 필드 크기는 가로 세로 15 x 15 cm 다.
• 탄소 이온의 깊이-선량 분포(Depth-dose distribution)에서 브래그 피크(Bragg peak)를 확산시키기 위해 레인지 시프터(range shifter)를 사용한다.
• NIRS는 1994년 6월 시스템 가동 이후, HIMAC에서 생성된 탄소 이온 빔을 이용한 중이온 방사선 치료를 시작했다.
• 1994년부터 이 치료법에 적합한 종양 부위를 찾고, 최적의 선량 분할(dose fractionation)을 결정하기 위한 임상 연구가 진행되고 있다.
• NIRS에서는 지난 17년간 6,000명 이상의 환자를 탄소 이온 빔으로 치료했으며, 많은 악성 질환에 대한 탄소 이온 치료의 임상적 효능을 입증했다.

 

Prensent Status and Perspective for Carbon Ions in Japan

• 현재 전 세계적으로 5개의 탄소이온치료시설이 운영되고 있으며, 그 중 3개 시설이 일본에 위치하고 있다.
• 1984년 일본 정부는 치바에 있는 첫 번째 시설에서 탄소이온치료 프로그램을 시작하다. 
• 2001년에는 일본 효고에 두 번째 센터인 효고 이온 빔 의료 센터를 설립하였는데,  세계 최초의 양성자와 탄소 이온 빔을 모두 사용 가능한 시설이다. HIMAC에 비해 낮은 에너지(320 MeV)와 더 작은 필드 크기(10cm x 10cm)로 인해, 더 작고 얕은 종양으로 적응증을 제한했다.
• 2010년 3월 일본 3호 탄소이온치료시설이 군마대학교 중이온의료원에 준공되었으며, HIMAC과 동일한 성능을 유지하면서도 크기와 시공비는 약 1/3밖에 안 되는 간결한 탄소이온치료 가속기 단지다.
• 네 번째 시설인 SAGA HIMAT는 일본 남부에 건설 중이며 2013년에 환자 치료를 시작할 예정이다. 
• 다섯 번째 시설은 도쿄 인근 가나가와현에서 2015년에 운영을 시작할 예정이다.

 

Gesellschaft fur Schwerionenforschung (GSI)

• 1997년 독일의 탄소 이온 치료는 다름슈타트(Darmstadt)의 Gesellschaft für Schweionenforschung(GSI)에서 시작되었다.
• 싱크로트론(synchrotron)의 빔 전달을 위해 intensity-modulated raster scanning technique이 개발되었고, Kraft와 Scholz가 개발한 국소 효과 모델 (local effect model, LEM)을 사용하여 생물학적 선량 계산이 정교해졌다.

 

Heidelberg Ion Therapy Center (HIT)

• 유럽에서 탄소 이온 방사선 치료 환자를 치료하는 센터는 독일 하이델베르크(Heidelberg)에 있는 하이델베르크 이온 치료 센터(HIT)가 유일하다. 
• 2009년 11월부터 연간 약 1,300명의 환자를 대상으로 입자 치료를 적용한 임상을 진행하고 있다.
• 일반적으로 GSI의 적응증을 기반으로 하며, 두개저의 척색종(chordoma), 연골육종(chondrosarcoma), 선양낭성암종(adenoid cystic carcionma, ACC)이 주된 적응증이다. 

 

Perspective for Carbon Ions in Europe, the United Stages, and Aisa

• 현재까지, HIT가 독일에서 유일한 탄소 이온 치료 시설이다.
• 유럽의 경우, 이탈리아 Pavia에 있는 국립 종양학 치료 센터(CNAO)는 2011년 중반부터 양성자 및 탄소 이온 치료를 시작했다.
• 오스트리아의 경우, 비엔나 노이슈타트의 탄소 시설(MedUSTRON)이 건설 중이며, 양성자 및 탄소 이온 치료를 제공할 예정이다.
• 프랑스에서 탄소 이온 임상 시설(ETOILE 프로젝트)의 설립이 논의 중이다.
• 아시아에서는 광자, 양성자, 탄소 이온 빔을 포함한 방사선 치료 시설이 상하이에 건설 중이다.

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원본 : Perez and Brady's Principles and Practice of RADIATION ONCOLOGY 중 Chanpter 20 Carbon Ions

 

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