오늘 칼럼은 국내에서 운영 중인 고주파 온열 암 치료기(식약처 품목명: 의료용 고주파 온열기)들의 주파수별 침투 깊이 대한 소개를 통하여 주파수에 대한 오해를 바로잡고 13.56MHz 주파수에 대한 긍정적인 효과에 대해 전하고자 한다.
필자가 지난 20년 동안 고주파 온열 암 치료기에 적용된 무선 주파수들(Radio Frequencies)에 대한 여러 가지 기초 및 연구 자료를 리뷰하고 독일·이탈리아 등 이 분야 전문가들의 자문을 통하여 알게 된 사실들에 대해 살펴보겠다.
의료용으로 활용하는 무선 주파수의 대표적인 국가는 미국, 이스라엘, 이탈리아로 특히, 이탈리아는 온열요법에 대한 적합한 주파수에 대한 표준을 정립한 나라이다. 용량 결합 방식(혹은 정전용량 방식)의 온열 암 치료 장비에 최적의 주파수를 사용하기 위하여 이미 1980년대 초부터 연구 개발자들은 1MHz, 3MHz, 5MHz, 8MHz, 10MHz, 13.56MHz, 27MHz, 54MHz 및 70MHz 이상 대역의 무선주파수를 이용하였다.
그러나 여러 실험에서 1MHz~5MHz 대역의 무선주파수는 파장의 길이가 너무 길어 생체조직의 두께와 지방조직에 미치는 영향을 고려할 때 심부 온열 치료에는 적합하지 않은 것으로 나타났다. 또한, 27MHz 무선주파수에 대한 실험도 많이 시행하였지만, 이 대역도 주파수의 파장이 짧아 생체조직에 또한 적합하지 않았다. 그 후 연구자들은 물리학적 기초연구 및 세포 생물학적 연구 보고를 통하여 10MHz~15MHz 대역의 무선주파수가 생체조직에 도달하는 파장의 길이도 적합하다는 것을 밝혔다. 뿐만 아니라 특별히 이 대역의 주파수가 손상된 세포와 조직 재생을 촉진할 수 있다는 연구를 보고했다.
일반적으로, 물리학에서 생체 조직에 무선주파수(RF)의 침투 깊이는 사용된 주파수와 조직의 특성, 예를 들어 수분 함량과 유전 특성에 따라 달라진다. [표1]에서 보면 물이 지배적인 생체 조직 구조에서 일정한 감쇠율을 가정할 때 라플라스 방정식(각주 1)에 따라 파장이 처리된 영역의 깊이보다 크므로 준정적(Quasi-static)(각주 2) 전기장의 근사치를 적용할 수 있는데, 주파수 대역이 낮아지면, 침투 깊이가 늘어나고 반대로 주파수 대역이 높아질수록 침투 깊이는 짧아진다는 의미이다.
[표1] 물을 투과하는 무선 주파수 대역별 파장의 길이
아래 [그래프 1]은 이탈리아 파비아 대학교 S. Morosi교수의 주파수별 침투 깊이에 대해 잘 설명해주고 있다. Morosi교수는 고수분을 함유한 조직을 무선주파수로 가열할 때 물리적 함수관계를 연구하였으며, 그 결과 아래 [그래프 1]과 같이 제시하였다.
[그래프 1] 무선주파수별 침투 깊이 – 자료출처: synchrotherm
[그래프 1]을 살펴보면 8MHz 주파수의 침투 깊이는 27.5cm, 10MHz 주파수는 21.5cm의 침투 깊이를 보인다. 13.56MHz 주파수의 침투 깊이는 19.2cm이다. 13.56MHz의 2배인 27.12MHz의 주파수는 침투 깊이가 14.5cm이며, 70MHz와 100MHz는 각각 10.6cm와 9.6cm이며 고주파보다 더 높은 주파수대역인 마이크로웨이브(Microwave)주파수로 칭하는 434MHz는 3.5cm, 915MHz 주파수는 1.5cm의 침투 깊이를 보인다.
이 기준에 의거하여 국내에 시판된 장비를 주파수 대역별로 살펴보면, 13.56MHz 주파수를 사용하는 정전용량 방식의 장비가 가장 많이 사용되며, 수입장비로는 하이딥600WM, 셀시우스TCS, EHY-2000plus, EHY-2030 및 국내 제조 ATAR-300, CPB-1200 등의 장비들이 있다. 8MHz 주파수를 사용하는 정전용량 방식의 장비는 일본 수입장비인 써모트론 RF-8이 유일하다.
또한, 70MHz~100MHz 대역의 주파수를 사용하는 장비는 안테나 방식으로 BSD-2000, ALBA-4D가 있다. 마이크로웨이브 주파수라 불리는 434MHz 영역대를 사용하는 장비는 주로 침투 깊이 3cm 미만의 표재성 암 치료에 적용하는 BSD-500, Alba On-4000이 있다. 국내 시장에는 도입되지 않았지만, 유럽에서는 915MHz 대역의 주파수를 사용하는 장비도 있다.
무선주파수에 대한 개념을 잘 이해하지 못하고 있는 대부분의 일반인은 주파수가 높을수록 생체조직에 더 깊게 침투할 것으로 생각한다. 하지만, 이는 매우 잘못된 이해이다. 위의 [표 1]과 [그래프 1]을 보면 주파수가 높을수록 파장의 길이, 즉 침투 깊이는 급격하게 낮아지는 것이다. 필자는 온열 암 치료기를 취급하는 판매 회사와 온열 암 치료를 시행하는 의료진과 병원 관계자들이 이에 대한 정확하게 이해하길 바라는 마음으로 주파수와 파장의 관계를 언급하게 된 것이다.
이제부터, 현재 ‘13.56MHz 주파수를 사용하는 온열 암 치료기가 왜 가장 보편화되었고, 왜 13.56MHz 주파수가 정전 용량 방식의 온열 암 치료기의 표준이 되었는가’를 설명하고자 한다.
[그림 1] 정전용량방식의 온열 암 치료에서 가온의 품질수준
무선주파수를 생체조직에 적용하기 위해 고려해야 할 사항은 정전용량 방식의 가온에 있어서 전극의 직경과 환자의 몸통 두께 그리고 지방층이 중요한 요소이다. 이에 대한 연구자인 이탈리아 트렌토 대학교 Antolini교수는 [그림 1]과 같이 두개의 전극이 용량 결합을 할 경우, 전극의 지름과 환자의 몸통 두께를 고려하면 최적의 비율은 1.5배라고 밝혔다. 위 [그림 1]에서 환자의 몸통 두께가 18cm일 경우 전극의 직경은 27cm가 가장 최적이라는 것이다.
앞서, [그래프 1]을 통해 13.56MHz 주파수의 침투 깊이는 19.2cm라 밝혔다. 두 개의 전극을 용량결합할 경우 양 전극에서 방사하는 주파수 침투 범위인 38.4cm 이내에서 전기장이 형성되고, 출력(W)을 높일수록 가온 영향력(Heating Impact)이 두 전극의 중심부에 집중되므로 환자의 다양한 몸통 두께를 고려하더라도 13.56MHz의 심부 열 전달력이 충분한 셈이다. 이것이 바로 13.56MHz 정전용량 방식의 국소 부위 고주파 온열 암 치료기의 작동 원리이다.
그러나 용량 결합의 작동 원리의 핵심은 [그림 1]처럼 두 개의 전극이 모두 고주파를 방사하는 활성 전극(Active Electrode)이어야 전기장이 형성되고 양전극의 중앙에 제대로 된 가온력이 생긴다. 하지만 시판 중인 대부분의 용량 결합 원리에 따르는 장비들은 한쪽 전극(Active Electrode)에서만 고주파를 방사하고 반대편 전극(Passive Electrode)이나 침대형 전극(Passive Electrode)은 받은 고주파 신호를 반사(Reflection)시켜 전기장을 형성하는 구조가 많다. 이러한 장비 구조(Active–Passive Electrode)의 경우, 두 전극의 중심에서 가온력이 생기지 않고 신호를 방사하는 전극 쪽 가까이에 가온력이 쏠리게 된다.
[그림 2] 생물학적 효과에 대한 침투 깊이의 올바른 비율을 유지하기 위한 적합 주파수
이탈리아 파비아대학교 모로시 교수의 주장을 담은 [그림 2]를 보면, 정전용량 방식의 온열 암 치료기에서 방사하는 13.56MHz는 별다른 부작용을 일으키지 않고 생체 조직에 가장 깊이 침투할 수 있는 이상적인 주파수라 볼 수 있다. 13.56MHz 보다 더 낮은 주파수는 지방층에서 지방 덩어리가 분해되거나 괴사할 수 있으며, 13.56MHz 보다 더 높은 주파수 대역은 생체 조직에 침투하기엔 파장이 너무 짧아 심부 가온에는 적합하지 않다는 것을 보여준다. 이는, 결국 가장 이상적인 주파수는 통과하는 신체조직에 대항하여 대립 반응을 일으키지 않고 깊이 침투하는 주파수 13.56MHz를 사용하는 정전용량 방식의 온열 암 치료에 가장 적합하다 할 수 있다.
<각주>
1. 라플라스 방정식(Laplace's equation)은 2차 편미분 방정식의 하나로, 고유값이 0인 라플라스 연산자의 고유함수가 만족시키는 방정식이다. 간단히 말하면 다른 방향으로 얼마나 변하는가? 열의 전도, 전기분야, 전자기학, 천문학 등에서 전위 및 중력 퍼텐셜을 다룰 때 쓰인다. 피에르시몽 라플라스의 이름을 땄다. (출처: 위키피디아)
2. 준정적(Quasi-static): 시간에 따라 변화가 없는 물체의 거동을 분석하는 것을 정해석 (static analysis)이라고 하지만, 시간에 따라 변하는 물체의 거동을 분석하는 것을 동해석(dynamic analysis) 이라고 부른다. 예를 들어 고층 건물이 자체 무게에 의해 변형되는 양을 계산하는 것은 전자에 해당하며, 지진파에 따른 건물의 흔들림을 계산하는 것은 후자에 해당된다. 전자의 경우에는 물체의 속도 및 가속도에 따른 관성력(inertia force)이나 감쇠력이 없는 반면, 후자에 있어서는 이들이 중요한 하중으로 작용한다. 하지만, 만일 물체의 거동에 미치는 이러한 동적 하중의 영향이 무시할 수 있을 정도로 작다면 동해석을 정해석으로 단순화시킬 수 있다. 이와 같이 동적인 영향을 무시하고 물체가 정적인 상태에 있다고 가정하여 정해석으로 단순화시키는 것을 준정적 해석이라고 정의한다. (출처: CAE지식 채널 반디통)
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