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문제 정의
- 미래 암치료 기법으로 주목을 받고 있는 MRI와 MPH의 결합에서 MRI 주자장에 의한 나노입자 발열량의 감소는 매우 중요한 요소이다. 과거 이에 대한 모의실험 결과가 보고된 바 있었는데 본 논문에서는 이를 실험적으로 검증한 결과를 보였다. 0.
- 3Tesla 이하가 돼야 할 것으로 인식되고 있다. 본 연구에서는 3Tesla MRI의 주변 자장(fringe field)을 이용해 정자장(static magnetic field) 내 초상자성 나노입자의 발열 특성을 실험적으로 관찰하였다. 나노입자의 발열특성이 정자장 세기에 따라 변화하는 것을 관찰함으로써 나노입자 온열치료 시스템과 MRI 시스템의 결합 가능성을 타진하기 위함이었다.
가설 설정
- 0T에서의 SAR를 모의실험으로 얻은 결과를 보여주고 있다. 이 모의실험에서 나노입자의 크기는 15 nm를 가정하였다. 이 모의실험에서 정자장의 세기가 셀수록 발열 효과가 현저히 감소함을 볼 수 있다.
제안 방법
- 그림 3는 3T MRI 시스템 근처에 설치한 나노입자 발열 실험 장치를 보여준다. 3T MRI 마그넷 축 방향으로 정자 장이 0T, 0.1T, 0.2T, 0.3T인 위치를 Hall sensor를 이용한 Gauss meter를 이용해 찾고 그 위치에 솔레노이드 코일을 고정하여 발열 실험을 진행하였다.
- 측정 시간은 매 발열실험마다 20분간 발열을 하였다. 가열 실험시 나노입자 현탁액의 온도 측정을 위해 광섬유 온도계(Opsens, opsens 사, Canada)를 사용하여 플라스틱 원심관내의 나노입자 현탁액의 온도를 측정하였다.
- 코일 표면이 물과 직접적으로 접촉하게 되면 코일의 임피던스가 크게 바뀌는 것을 관찰하였는데 이는 코일 권선 주위에 유전율(electric permittivity)이 큰 물 분자가 놓이게 되면 권선 사이에 기생 캐패시턴스가 많이 발생하기 때문이다. 그래서 코일 임피던스의 변화를 막기 위해 총 3겹의 방수 필름(Parafilm M, Pechiney, France)을 코일 외벽에 인가하여 물과의 접촉을 차단하였다. 그리고 그 위에 에폭시를 인가하여 추가로 방수 처리 하였다.
- 그래서 코일 임피던스의 변화를 막기 위해 총 3겹의 방수 필름(Parafilm M, Pechiney, France)을 코일 외벽에 인가하여 물과의 접촉을 차단하였다. 그리고 그 위에 에폭시를 인가하여 추가로 방수 처리 하였다. 코일 권선에 두꺼운 에폭시 막을 두게 되면 코일과 물 분자 사이에 간극이 생겨 코일 임피던스의 변화가 매우 감소함을 실험적으로 관찰하였다.
- 솔레노이드 코일이 만드는 자계 세기를 추정하기 위해 먼저 솔레노이드 코일에 전달되는 전력을 측정하였다. 그리고 이 전력값으로 부터 코일에 흐르는 전류값을 환산한 뒤(전력 = I2R, R: 코일 저항) 환산 전류가 만드는 자계의 세기를 저주파 전자계 모의실험 프로그램(SEMCAD X, SPEAG, Switzerland)을 이용해 구했다. 그리고 식(6)~(9)에 나노입자의 물리적 상수를 대입하여, 식(5)로 표시되는 열량 P의 값을 MATLAB(The MathWorks사, USA)을 이용하여 계산하였다.
- 일정 온도의 냉각수를 순환시키기 위해 펌프 기능이 있는 항온수조(CT-DCW 11, Coretech, Korea)를 사용하였다. 나노입자 가열실험은 외부 온도가 19℃로 일정하게 유지되는 항온실에서 수행하였다.
- 정자장 내에서 초상자성 나노입자의 발열 효율을 살펴보기 위해 3T MRI 마그넷의 주변 자장을 이용하여 정자장의 세기에 따라 실험을 각각 5회 씩 진행하였다. 나노입자의 밀도 또한 나노입자 발열에 큰 영향을 미치므로 초상자성 나노입자 현탁액의 밀도를 각각 다르게 하여 같은 방식으로 5회 실험을 진행하였다. 5회 반복 실험하여 얻은 데이터의 평균을 구하여 최종 실험 데이터를 구하였다.
- 고주파자계에 의해 나노입자가 발생하는 열을 측정하는데 있어 코일 열의 전도에 의한 나노입자의 가열을 배제하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 코일 열 발생을 억제하기 위해 수냉각을 이용하였다. 코일 표면이 물과 직접적으로 접촉하게 되면 코일의 임피던스가 크게 바뀌는 것을 관찰하였는데 이는 코일 권선 주위에 유전율(electric permittivity)이 큰 물 분자가 놓이게 되면 권선 사이에 기생 캐패시턴스가 많이 발생하기 때문이다.
- 솔레노이드 코일에 교류전류를 인가하기 위하여 고주파증폭기를 이용하였다. 사용한 고주파증폭기(HPA-SHD3005, Ant-technology, Korea)는 250 kHz ~ 1 MHz 대역에서 동작하며 최대 300 W의 연속모드 출력을 갖고 있다.
- 솔레노이드 코일을 냉각하기 위해 솔레노이드 코일을 그림 1과 같은 수조에 넣었다. 솔레노이드 코일의 절연을 위해 솔레노이드 코일 및 코일 접합부에 에폭시를 인가하였다.
- 9 mm인 구리선을 이용하여 솔레노이드 코일을 만들었다. 솔레노이드 코일의 지름은 40 mm, 길이는 45 mm, 권선수는 50회로 하였고, 제한된 길이에 권선수를 늘리기 위해 권선을 2층 구조로 감았다. 본 연구에서는 여러 두께의 구리선을 시도해본 결과 구리선이 얇을 수록 권선수를 늘릴 수 있으나 교류 전류에 의해 코일 열이 많이 발생하여 단위 전력당 발생하는 교류자계의 크기는 오히려 감소하는 것을 관찰하였다.
- 교류자기장의 세기 H는 실제로 제작한 솔레노이드 코일이 만드는 자계의 세기를 추정하여 대입하였다. 솔레노이드 코일이 만드는 자계 세기를 추정하기 위해 먼저 솔레노이드 코일에 전달되는 전력을 측정하였다. 그리고 이 전력값으로 부터 코일에 흐르는 전류값을 환산한 뒤(전력 = I2R, R: 코일 저항) 환산 전류가 만드는 자계의 세기를 저주파 전자계 모의실험 프로그램(SEMCAD X, SPEAG, Switzerland)을 이용해 구했다.
- 솔레노이드 코일 내부에는 플라스틱 원심관 내의 나노입자 현탁액을 놓을 수 있는 원통형 구조물이 있는데 냉각수는 이 원통형 구조물과 솔레노이드 내면 사이를 흐르게 된다. 원통형 구조물 외벽에는 열차단 필름(PR silver 1585, Sun Nano, Korea)을 둘러서 솔레노이드 코일과 냉각수가 발생하는 열을 추가로 차단하였다. 일정 온도의 냉각수를 순환시키기 위해 펌프 기능이 있는 항온수조(CT-DCW 11, Coretech, Korea)를 사용하였다.
- 정자장 내에서 초상자성 나노입자의 발열 효율을 살펴보기 위해 3T MRI 마그넷의 주변 자장을 이용하여 정자장의 세기에 따라 실험을 각각 5회 씩 진행하였다. 나노입자의 밀도 또한 나노입자 발열에 큰 영향을 미치므로 초상자성 나노입자 현탁액의 밀도를 각각 다르게 하여 같은 방식으로 5회 실험을 진행하였다.
- 초상자성 나노입자를 가열하기 위해 외경이 1.9 mm인 구리선을 이용하여 솔레노이드 코일을 만들었다. 솔레노이드 코일의 지름은 40 mm, 길이는 45 mm, 권선수는 50회로 하였고, 제한된 길이에 권선수를 늘리기 위해 권선을 2층 구조로 감았다.
- 5회 반복 실험하여 얻은 데이터의 평균을 구하여 최종 실험 데이터를 구하였다. 측정 시간은 매 발열실험마다 20분간 발열을 하였다. 가열 실험시 나노입자 현탁액의 온도 측정을 위해 광섬유 온도계(Opsens, opsens 사, Canada)를 사용하여 플라스틱 원심관내의 나노입자 현탁액의 온도를 측정하였다.
대상 데이터
- 5% 이다. 나노입자 현탁액은 증류수를 이용하여 만들었으며, 20%, 15%, 10%의 밀도를 가진 현탁액(5 ml)을 실험에 사용하였다.
- 본 연구에서는 여러 두께의 구리선을 시도해본 결과 구리선이 얇을 수록 권선수를 늘릴 수 있으나 교류 전류에 의해 코일 열이 많이 발생하여 단위 전력당 발생하는 교류자계의 크기는 오히려 감소하는 것을 관찰하였다. 따라서 코일의 열 발생이 적으면서도 효율적인 자기장을 유도하는 직경 1.9 mm인 구리선을 선택하게 되었다. 솔레노이드 코일을 냉각하기 위해 솔레노이드 코일을 그림 1과 같은 수조에 넣었다.
- 실험에 사용된 초상자성 나노입자(Fe3O4, RND Korea, Korea)의 평균 직경은 15 nm 였으며 나노입자의 순도는 99.5% 이다. 나노입자 현탁액은 증류수를 이용하여 만들었으며, 20%, 15%, 10%의 밀도를 가진 현탁액(5 ml)을 실험에 사용하였다.
- 실험에서 사용한 나노입자는 Fe3O4로 지름이 15 nm이었다. 15 nm를 선택한 이유는 5 nm나 10 nm에 비해 낼 수 있는 SAR값이 상대적으로 크기 때문이었다[16].
- 원통형 구조물 외벽에는 열차단 필름(PR silver 1585, Sun Nano, Korea)을 둘러서 솔레노이드 코일과 냉각수가 발생하는 열을 추가로 차단하였다. 일정 온도의 냉각수를 순환시키기 위해 펌프 기능이 있는 항온수조(CT-DCW 11, Coretech, Korea)를 사용하였다. 나노입자 가열실험은 외부 온도가 19℃로 일정하게 유지되는 항온실에서 수행하였다.
데이터처리
- 나노입자의 밀도 또한 나노입자 발열에 큰 영향을 미치므로 초상자성 나노입자 현탁액의 밀도를 각각 다르게 하여 같은 방식으로 5회 실험을 진행하였다. 5회 반복 실험하여 얻은 데이터의 평균을 구하여 최종 실험 데이터를 구하였다. 측정 시간은 매 발열실험마다 20분간 발열을 하였다.
- 표 1에 정자장 세기에 따른 발열량 변화에 대한 모의실험 결과와 실제 가열 실험 결과를 비교하였다. 모의실험 결과와 실험 결과 사이에 약간의 편차는 있으나 정자장의 세기가 커짐에 따라 발열 효과가 줄어드는 추세는 비슷한 것을 볼 수 있다.
성능/효과
- 솔레노이드 코일의 지름은 40 mm, 길이는 45 mm, 권선수는 50회로 하였고, 제한된 길이에 권선수를 늘리기 위해 권선을 2층 구조로 감았다. 본 연구에서는 여러 두께의 구리선을 시도해본 결과 구리선이 얇을 수록 권선수를 늘릴 수 있으나 교류 전류에 의해 코일 열이 많이 발생하여 단위 전력당 발생하는 교류자계의 크기는 오히려 감소하는 것을 관찰하였다. 따라서 코일의 열 발생이 적으면서도 효율적인 자기장을 유도하는 직경 1.
- 이 모의실험에서 나노입자의 크기는 15 nm를 가정하였다. 이 모의실험에서 정자장의 세기가 셀수록 발열 효과가 현저히 감소함을 볼 수 있다.
- 그리고 그 위에 에폭시를 인가하여 추가로 방수 처리 하였다. 코일 권선에 두꺼운 에폭시 막을 두게 되면 코일과 물 분자 사이에 간극이 생겨 코일 임피던스의 변화가 매우 감소함을 실험적으로 관찰하였다. 그림 1은 수냉각 장치에 설치된 솔레노이드 코일을 보여주고 있다.
후속연구
- 나노입자 크기가 작을수록 자화 세기가 줄어들어 자화율 아티팩트도 줄어든다. MRI 영상에 대한 왜곡이 최대한 적으면서도 발열 효율이 높은 나노입자 크기의 선택에 대한 연구도 앞으로 꼭 해야 할 과제이다.
- 3T 이상의 MRI 주자장 내에서 MPH를 시행하는 것은 기술적으로 어려워 보인다. MRI 주자장 내에서 MPH를 시행하는 시스템을 만들기 위해서는 나노입자 크기의 선택, 나노입자 밀도의 선택, 인체 내 나노입자에 강한 강도의 교류자계를 인가할 수 있는 고주파코일의 개발, 그리고 나노입자가 유발하는 MRI 영상 왜곡의 보정 등 많은 기술적인 난제들을 풀어야 할 것이다.
- 나노입자의 밀도가 높으면 가열 시 열량이 많이 발생하지만 나노입자의 밀도가 너무 높으면 MRI 영상에 자화율 아티팩트(susceptibility artifact)를 만들고 또한 영상의 왜곡을 유발할 수 있으므로 나노입자 밀도의 선택도 MRI와 MPH를 결합하는데 고려해야 할 중요한 변수이다. 나노입자를 암세포에 선택적으로 전달하는 것도 중요한 연구과제이지만 전달된 나노입자가 MRI 영상에 미치는 영향을 실험적으로 규명하는 것도 중요한 일이 될 것이다. 본 논문의 실험에서는 문헌[16]에 의거하여 15 nm 크기의 나노입자를 선택하였으나 향후 연구에서는 5 nm와 10 nm 크기의 나노입자를 이용한 실험도 수행할 계획이다.
- 나노입자를 암세포에 선택적으로 전달하는 것도 중요한 연구과제이지만 전달된 나노입자가 MRI 영상에 미치는 영향을 실험적으로 규명하는 것도 중요한 일이 될 것이다. 본 논문의 실험에서는 문헌[16]에 의거하여 15 nm 크기의 나노입자를 선택하였으나 향후 연구에서는 5 nm와 10 nm 크기의 나노입자를 이용한 실험도 수행할 계획이다. 나노입자 크기가 작을수록 자화 세기가 줄어들어 자화율 아티팩트도 줄어든다.
- 안전하고 정확한 국소 치료를 지향하는 나노입자 온열치료를 위해 효율적인 나노입자 발열 메커니즘에 대해 많은 연구가 진행되어 왔지만, 발열 온도를 정확하게 제어하는 부분에서는 상대적으로 개발이 이루어지지 않았다. 앞으로 나노입자의 신체 내 발열 온도를 정확하게 측정하고 발열 온도를 제어하는 시스템이 개발되어야만 나노입자 온열치료가 임상적으로 사용될 수 있을 것이다. 나노입자 온열치료에서 온도 감시 및 조절을 하기 위한 방법으로 MRI 온도영상과 나노입자 온열치료의 결합이 오래 전부터 구상되었다.
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