1초도 안 되는 방사선치료, 플래시 양성자 치료와 선량률

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by 메디컬저널 김윤. 대한민국 약사 · 약학석사 · 연구원 5년 · 메디컬 학종 컨텐츠 통합 조회수 62만회 · 프리미엄콘텐츠 연말결산 10대 여성 구독자 2위, 10대 남성 구독자 4위(2023) · 前 과학학원 원장, 메디컬 생기부 전담 · 메디컬 세특 전문 블로그 리코드라이터 운영 · 입시 플랫폼 아카AI 기술자문 및 컬럼 연재

✔️ 안녕하세요, 의치한약수 메디컬계열 수시 학종 세특 심화탐구 전문 메디컬저널입니다.

(그림 출처 : 서울아산병원)

방사선치료에 대해 탐구한 적이 있는 학생들에게 방사선치료의 장면을 떠올려 보라고 하면 위 그림처럼 환자가 치료대에 누워 기계 아래에 한참 머무는 모습을 떠올리게 되는데요,

❗️ 그런데 최근 공개된 FAST-02 임상시험에서 환자가 방사선 치료대에 머문 평균 시간은 단 14.6분이었습니다

⇢ 심지어 방사선이 실제로 몸에 들어간 시간은 1초도 되지 않는데요, 같은 양을 훨씬 짧은 시간에 몰아서 쏘는 이 방식을 플래시(FLASH) 치료라고 부릅니다.

⇢ 이번 탐구에서는 2026년 6월 24일에 공개된 FAST-02 임상 결과로 플래시 치료가 어디까지 발전한 것인지 정리하고, 미적분Ⅰ 과목의 「미분」 단원에서 학습하는 미분계수로 이 치료의 조건을 해석해보는 탐구를 진행하겠습니다

﹡ 방사선 항암치료나 영상 진단을 주제로 탐구한 적이 있는 학생이라면 후속 탐구로 진행하기 좋은 소재입니다.

# FLASH와 선량률

✔️ 우리는 방사선에 얼마나 노출시켰는지를 그레이(Gy) 라는 단위로 나타내는데요, 1 그레이는 물질 1킬로그램이 방사선 에너지 1줄(J)을 흡수했을 때의 양입니다.

⇢ 그레이가 총량을 재는 단위라면, 그 총량이 얼마나 빠르게 쌓이는지를 재는 값은 따로 있습니다. 이것이 선량률이고 단위는 주로 초당 그레이(Gy/s) 로 나타냅니다.

﹡ 그레이는 국제단위계(SI)가 정한 흡수선량의 단위입니다.

그림 1. 보통 방사선치료와 플래시 치료의 선량률. 세로축은 로그 눈금에 해당, 자료: FAST-02 논문(초당 40 그레이 이상), FAST-01 논문(광자선 초당 약 0.03 그레이).

❗️ 플래시 치료가 기존 치료와 다른 점은 바로 이 선량률(Gy/s) 입니다 같은 8 그레이를 쏘더라도 몇 분에 걸쳐 쏘는 것과 1초 만에 쏘는 것은 서로 다른 조건입니다.

⇢ 그림 1에서 세로축은 눈금 하나가 열 배씩 커지는 log scale입니다. 일반 방사선치료는 초당 약 0.03 그레이 정도이며, 플래시 치료는 초당 40 그레이로 하나의 그래프에 그 선량률을 함께 표현하기 위해서는 위와 같은 로그 스케일이 필요합니다.

﹡ 두 값을 나누면 $40 \div 0.03 \approx 1{,}333$ 이라는 배수가 나오는데요, 사실 논문에서는 정확히 40이 아니라, 40 이상으로 표현하고 있으므로 선량률이 최소 1000배 이상이라 할 수 있습니다.

정상조직 손상은 줄이고, 종양에 대한 효과는 그대로 유지하는 이른바 플래시 효과는 1960년대 초기 연구에서 처음 관찰됐고, 이후 여러 동물 실험에서 반복 확인됐습니다.

※ 다만 이 효과가 왜 생기는지에 대한 정확한 설명과 기전은 현재도 조사 중입니다.

# 탐구동기

미적분Ⅰ 「미분」 단원에서 미분계수가 접선의 기울기와 같다는 내용을 배우며, 미분계수를 그래프의 기울기를 구하는 계산 도구 정도로만 이해하고 있었다.

그런데 암 치료 관련 자료를 찾다가 방사선을 인체에 1초도 안 되는 시간 동안 짧게 조사하는 플래시 치료라는 방식이 있다는 것을 알게 되었고, 그 조건이 초당 40 그레이 이상이며, 이는 매우 짧은 시간당 방사선량이라는 의미한다는 점에서 이것이 미분계수의 개념으로서 설명할 수 있을 것 같은 생각이 들었다. 일반적인 방사선 치료와 같은 같은 8 그레이를를 조사하는데 시간을 변경함으로써 어떤 효과가 있는 것인지가 궁금했고, 이를 수학적 그래프로는 어떻게 나타내는지 탐구해보려 한다.

이번 탐구에서는 FAST-02 임상 결과로 플래시 치료가 어디까지 확인되었는지 정리하고, 시간에 따라 쌓이는 방사선량을 함수로 놓았을 때 미분계수가 그 순간의 선량률이 된다는 점을 그래프로 확인해 보려고 한다.

✔️ 플래시 치료를 살펴보기 전에 양성자선(proton beam)을 활용하는 양성자치료(Proton therapy)가 광자선(X선)을 사용하는 일반적인 방사선치료와 어떻게 다른지 먼저 정리하겠습니다.

※ FAST-02는 양성자선을 활용한 양성자 치료에 해당합니다

그림 2. 광자선과 양성자선의 깊이별 선량.

⇢ 광자선(X선)이 인체로 침투하면 얕은 부위에서 선량이 가장 세고, 깊어질수록 조금씩 약해지는 양상을 나타냅니다. 이러한 완만한 양상에 따라 우리가 타겟으로 하는 종양과 인접하게 위치하는 정상조직들들도 타겟 부위와 비슷한 수준의 방사선에 노출되는 문제가 있습니다.

❗️반면 양성자선은 정해진 깊이에서 에너지를 한꺼번에 방출하고 멈추는 특성이 있습니다. 그림 2에서 양성자선 곡선이 뾰족하게 솟았다가 곧바로 0으로 떨어지는 부분에 해당하며 이러한 봉우리(peak)를 브래그 피크(Bragg peak)라고 부릅니다. (메디컬저널 지난 탐구에서 다룬 내용이기도 합니다.)

﹡ peak에서 조금만 벗어난 부위에서도 방사선 선량이 0에 가깝다는 것은 종양에 인접한 정상조직이 방사선을 거의 받지 않는다는 뜻입니다. 국내 양성자치료센터들이 소아종양과 뇌·척추 종양에 양성자 치료를 우선 적용하는 이유도 여기에 있습니다.

⇢ 이러한 양성자 치료의 기본 원리에서 더 나아가, 이번 탐구에서는 x축으로서 거리(깊이)를 보는 것이 아니라 다른 차원에서 시간을 x축으로 양성자 치료 효과를 결정하는 플래시 치료에 대해 탐구합니다. 즉, 양성자선을 어떤 깊이로 적용할 지에 대한 기본적인 개념에서 더 나아가, 정해진 양을 얼마나 짧은 시간에 넣을지가 플래시 치료의 핵심 개념이자, 최신 양성자 치료 트렌드라 할 수 있습니다.

# 참고문헌 국립암센터 양성자치료센터 안내 · 삼성서울병원 양성자치료센터 안내