▲온열 치료 전문가 강상만 칼럼니스트
지난 1부 및 2부에 이어 이제 이탈리아 모로시(Sergio Morosi)(각주 1) 교수의 열량과 시간을 통해 열량과 온도에 대한 주제를 좀 더 알아보고자 한다.
0.1kg짜리 종양의 질량을 생각해 볼 때 인체 조직은 근사치로 봐서 물의 밀도와 유사해질 수 있는 밀도를 갖고 있다.
δ = 1 gr/cm³ = 1kg/dm³
구체 모양이라 추측되는 위의 종양 질량을 고려하면, 이것은 약 6cm의 직경으로 된 구 용적을 차지한다. 생리 온도인 37℃에서부터 43℃까지 종양 덩어리를 가온 시키면, 종양 덩어리는 온도가 상승하여 6℃ = 6°K 가 된다.
ΔT = 6°K만큼 온도 점프를 위해 종양 덩어리가 흡수한 열은 간단한 열량측정법 공식으로 계산된다. [그림1]
Q = c m ΔT
여기서 c는 특수 열(1Kcal/kg 물)을 나타내며; m은 kg으로 된 질량이며, 그리고 ΔT는 온도 점프이다.
Q = 1 x 0.1 x 6 = 0.6 Kcal
▲[그림1] ΔT = 6°K 의 온도 점프를 만들기 위해 종양 덩어리에 의해 흡수된 열은 간단한 열량측정법 공식으로 계산된다
보시는 바와 같이 종양 덩어리가 흡수하는 열량은 정말 적다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 300W의 파워로 10초 이내에 열을 전달할 수 있을지라도 장비가 공급하는 열과 43°C까지 가온 돼야 하는 종양 조직의 열 흡수는 서로 다른 것이다.
치료기기에 의한 열 공급이 순수한 기술적 요소라고 볼 수 있는 반면, 살아있는 생물 조직의 열 흡수는 다양한 생물학적 요소나 생리학적 요소가 수반된다는 사실을 기억해야 한다.
살아있는 생물 조직은 이러한 요소들 사이에 경쟁이 발생하는 한편으로는 종양 주변, 건강한 조직의 혈관과 종양 자체의 혈관 모두에서는 열이 혈류에 의해 씻겨 나가는 경향을 보인다.
반면, 종양 조직은 혈관 탄력성이 떨어져 열 정체 현상을 보인다. 종양 혈관은 탄력적인 섬유질이 없는 단순한 내피 혈관으로 형성되어있다는 사실을 고려해야 한다.
이러한 이유로, 종양 덩어리에 공급되는 열은 건강한 조직처럼 즉각적인 혈관 확장이 이뤄지지 못해 빨리 빠져나갈 수 없다.
종양 덩어리에서 열은 “정체”되는 경향이 있으나, 가온이 되었다고 해서 동시에 저장되는 것은 아니다. 종양 조직 내 혈관의 낮은 탄력성을 고려한다고 하더라도, 열 흡수 시간은 지체된다.
따라서, 정상 조직에서보다 열 효과가 적더라도 치료 온도 43℃에 도달 시, 해당 온도를 유지하기 위해 종양 조직에 열 공급을 중단 없이 유지해야 한다.
“열 씻어내기” 과정은 세포 자멸사로 이끄는 열 공격으로부터 자신을 보호하기 위해 종양 조직에서도 작동하기 때문이다. 고주파 온열 암 치료 시, 300W의 높은 열량을 60분 동안 주면 256Kcal의 열 분출을 만든다. 이것은 분당 4.3 Kcal에 해당한다. [그림2]
이러한 4.3Kcal라는 열량 중 일부분인 0.6 Kcal가 종양 덩어리가 43°C의 온도에 도달하는 데 필요하다는 것을 나타내며, 반면 나머지 3.7Kcal의 열량은 다른 조직에 소모되거나, 고통스러운 화상을 예방해주는 쿨링 시스템에 의해 피부 위 전극 가까이에서 차단된다.
그래서 우리는 종양 덩어리가 43°C의 온도에 도달하게 되는데 필요한 0.6 Kcal라는 “적은 열량"을 조심스럽게 고려해야 한다. 이 적은 열량 값은 종양 조직의 치료 온도를 보장하기 위해 더 많은 열이 전달되도록 지속적인 열 공급이 유지되어야 한다.
▲[그림2 ]시간당 출력(W)별 제공 열량과 출력(W)과 시간에 의한 열량: 그래프가 보여주는 것은 시간당 목표 열량을 얻기 위해서는 출력이 높아야 하며, 출력이 낮을 경우 목표열량을 얻기 위해서는 긴 치료시간이 요구된다.
[그림2]에서 보면 150W의 출력에너지로 60분 동안 가온 할 경우 얻을 수 있는 총열량은 129.1Kcal이다. 이는 540Kjoule에 해당한다. 300W의 출력에너지로 가온 할 경우, 얻은 수 있는 총열량은 258.1Kcal이며 이는 1,080Kjoule에 해당한다.
즉, CEM43℃의 온도에 도달하기 위해서는 258Kcal의 열량이 필요하다는 것으로, 이를 60분 동안 300W의 출력에너지를 주었을 때 가능하다는 것이다. 반면, 150W의 출력으로 가온한다면, CEM43℃의 온도에 도달하기 위해서는 120분의 시간이 필요하다는 의미이다.
국내의 경우를 보면 심부 가온에서 환자가 통상 얻는 열량이 60Kcal~100Kcal 범위로 매우 낮은 수준이다. 이를 환산하면 250KJ ~ 420KJ이다.
▲[그림3] 높은 열량 및 낮은 열량을 기준으로 한 비교 *m-EHT장비는 기존 HT보다 열 에너지가 덜 필요하다. 열에너지의 일부가 전기장으로 대체된다. Andras Szasz, 2013
열량과 온도에 있어서 높은 열량(High Dose)과 낮은 열량(Low Dose)에 대하여 지난주에 이어 소개하고 있다.
70MHz 이상의 고주파 기반 안테나 배열방식(BSD-2000, AMC-4등) 기기 및 600Watt 고출력 기반 13.56MHz 고주파를 반송파로 쓰는 정전용량방식(HY-Deep600WM, Celsius TCS등)의 기기들은 높은 열량 전달이 가능하고, 국제학회에 의해 검증된 정통 온열요법(CH: Conventional Hyperthermia)에 속한다는 점을 지난 칼럼에서 다루었다.
위 [그림3]에서는 마치 동전의 양면처럼 CH와 m-EHT는 차이가 없는 것 같지만, 세포 내 액을 타깃으로 열 효과(온도)에 의존하지 않고 낮은 에너지로 전기장 변조에 초점을 맞춘 장비는 m-EHT(Modulated Electro-Hyperthermia)이며, 높은 열량으로 종양 덩어리를 타깃으로 확산 가열을 통한 열 효과에 집중하는 장비 군이 CH이다.
2019년 m-EHT에 대한 독일 연구팀 P.Wust et. al. (각주 2)의 연구에 따르면, 전기장으로 대체된 낮은 열에너지는 전자파흡수율(SAR)로 인한 값이 너무 작아 온도 의존효과를 유도할 수 없음을 시사하며, 세포막과 국소 세포 환경과 관련된 비 온도 의존효과(비열효과)의 발생 가능성에 대해서는 추가 조사가 권장된다는 결론이다.
지금까지 암 치료에 있어서 온열치료는 열량과 온도의 관계가 중요하며 이는 환자의 생존율 및 치료 반응률에 큰 영향을 미치는 요소임을 살펴보았다. 그러나, 임상에서 심부에 높은 온도가 도달하게 하는 테크닉이나 운영 기술에는 장비마다 차이가 있음을 함께 전한다.
또한 환자가 치료 시간 동안, 상승하는 출력에너지를 어떻게 참아낼 것인지가 관건이다. 높은 열량을 목표로 할 때, 가온 시간 동안 장비에서 1초도 쉬지 않고 끊임없이 발사하는 출력에너지가 올라갈수록 환자는 견디기 어려운 뜨거움이나 통증을 호소하기 때문이다.
이러한 문제를 해결하고자 낮은 출력에너지에서 시작하여 높은 출력에너지까지 환자의 상태를 지켜보며 단계별 가온은 필수적이다. 이러한 문제를 기술적으로 해결한 장비는 충분한 열량에 도달할 수 있다.
열량 기준으로 볼 때 심부 가온의 경우, 환자가 1회 세션을 기준으로 60분 동안 최소 200Kcal 이상의 열량을 흡수하는 것은 절대적으로 필요하다. 특히, 세션이 거듭될수록 췌장암 등 체내 깊이가 있는 암 종들에 대해서는 250Kcal의 열량을 흡수할 수 있도록 치료하는 것을 권장한다.
앞서 언급한 연구 결과에 따르면, 낮은 열량에서는 치료 시간 동안 혈류가 증가하면서 여러 가지 생리적인 변화가 생기다가 다시 원래 정상범위의 온도로 되돌아 가는 인체의 특성이 작동함을 볼 수 있다. 때문에, 심부를 가온하여 200Kcal 이상의 열량을 흡수하기 위해서는 지방층 및 근육조직에 균질한 열 확산이 중요하다.
이는 높은 수준의 열량을 제공하면서도 환자가 충분히 수용할 만한 열감으로 받아들일 수 있도록 하는 것이 전제되어야 한다. 이를 충족시키기 위해서는 잘 설계되고 검증된 장비 및 전극에 노하우가 있어야 한다. 이에 대한 장비의 기술적 특성에 대해서는 다른 칼럼에서 다루고자 한다.
▲[그림4] 고품질 온열치료를 위한 새로운 도전: 열량증가 및 열 분포의 질 향상
[그림4]에서 보면 온열치료에서 온도의 중요성은 더욱 커진다. 앞으로 고품질의 온열치료를 위해 열량을 더 올리며 온도 분포의 질을 향상시켜야 한다는 것이 온열 암 치료 전문가들의 공통된 의견이다.
이제 한국에서도 열량과 온도에 대한 중요성을 인식하고 온열치료를 시행함에 있어 전향적인 태도가 필요하고 아울러 부위별 표준프로토콜을 만들 필요가 있다는 것이 필자의 주장이다.
각주:
1. 세르지오 모로시(Sergio Morosi) 교수 - 파비아 대학교, 전자공학과, 공학부, 물리학 II 교수
2. Peter Wust교수: 베를린샤릿떼대학교 방사선종양학과
References:
Peter Wust et. al., Physical analysis of temperature-dependent effects of amplitude-modulated. electromagnetic hyperthermia, I JH., 2019, VOL. 36, NO. 1, 1245–1253
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