01 핵의학 개론

1. 서론

 1) 핵의학이란?

▶ 핵의학이란 방사성 핵종의 특이한 성질을 이용하여 신체의 해부학적, 생리학적, 생화학적 상태를 진단/평가하고, 개봉된 방사성 선원으로 치료하는 의학의 전문 분야이다.

 

▶ 핵의학을 영상의학의 일부로 혼동하는 경우도 있으나 의학의 전문 분야는 근본이 되는 원리로 구분한다.

핵의학의 기본 원리는 미량의 방사성 핵종을 이용한 추적자(tracer)의 원리이다.

 

 2) 핵의학의 발달사

▶ Hevesy는 1913년 방사성 납과 비방사성 납을 분리하기 위해 알고 있는 모든 물리화학적 방법을 시도하였으나 실패하였다. 그러나 그는 이 실패로부터 방사성 납을 화학적, 생물학적 성질의 추적자로 사용할 수 있음을 알게 되었다. 그가 들인 노력은 생물의학에서 중요한 원리 중 하나인 "방사성 추적자의 원리"로 다시 태어났다.

 

▶ 오늘날 핵의학적 검사는 "방사성 원소는 그 원소의 생화학적인 성질에 전혀 영향을 미치지 않는다"는 Hevesy의 개념에 바탕을 두고 있다.

 

▶ 핵의학의 가장 중요한 발전의 계기가 된 것이 인공 방사성 핵종의 개발이다. 오늘날 핵의학에 이용되는 주요 핵종은 사이클로트론(cyclotron)과 원자로를 이용하여 생산된다.

 

▶ 핵의학에 쓰이는 방사성 핵종은 1960년대까지는 131I이 대부분을 차지하였다.  131I-로즈뱅갈, 간담도스캔, 131I-알부민 혈액풀스캔, 131I-갑상선스캔 등 각종 검사에 사용되었으나 131I은 베타선을 방출하여 불필요한 피폭을 유발하고 에너지와 반감기가 영상을 얻기 위해 이상적이지 않았다.

 

▶ 1970년대에 99mTc으로 표지된 방사성의약품이 활발히 이용되면서 131I을 대신하게 되었다.  1957년 Stang은 반감기가 짧은 동위원소를 생산하기 위하여 동위원소 발생장치의 하나로 몰리브덴-테크네슘 발생기(99Mo/99mTc generator)를 개발하였다.

 99mTc는 반감기, 에너지 등 물리적 성질이 영상획득에 적합하고 비교적 값싸며 발생기 형태라 구하기 쉽고 사용이 용이하여 핵의학 영상에 널리 이용되고 있다.

 

▶ 1952년에 당시 의과대학생이던 Kuhl은 갑상선의 등반응곡선을 얻기 위하여 자신이 직접 검출기를 고안하였다. Kuhl이 만든 이 기기의 특색은 검출신호로 필름을 감광시켜 흑백척도의 사진을 얻는다는 점이었다. 이 장치는 1954년에 처음 이용되었고 1956년부터는 표준 스캐너에 적용되었다.

 당시 공간해상력을 개선하기 위한 방법으로 초점형조준기 외에 두 가지가 더 연구되었다.

 하나는 Brownell과 Sweet가 고안한 양전자 스캐너로 소멸광자 두 개를 동시에 검출하여 선원의 공간 해상력을 높이는 것이었으며, 다른 하나는 1956년에 Kuhl이 고안한 이중탐침(double probe) 시스템으로 체내 깊이에 따른 방사능을 구분하여 검출함으로써 단면영상을 얻을 수 있다는 것이었다.

 

 3) 우리나라 핵의학

▶ 밀봉선원을 제외한 핵의학 분야에서 이용된 방사성동위원소의 사용량은 1962년 180 GBq에 불과하였으나, 1974년 99Mo/99mTc 발생기를 이용하게 된 이후 급격한 증가를 보였다.

 주요 사용 핵종은 99mTc이 239,620 GBq(48%), 18F이 162,912 GBq (33%), 131I이 92,593 GBq (18%)이다.

 

 4) 핵의학의 최근 동향과 미래

▶ 림프종 치료에 항 CD20 단세포군 항체에 90Y을 표지하여 방사면역치료에 이용되어 항체만 이용한 치료보다 더 좋은 효과를 보이고 있다.

▶ 부작용은 적고 효과가 좋은 종양치료로 특정 수용체를 표적으로 하는 펩타이드 수용체 방사성 핵종 치료(PRRT)가 임상에 도입되고 있어 핵의학 치료의 영역이 커질 전망이다.

 PRRT는 68Ga 표지를 한 PET/CT 영상을 이용하여 효과가 있을 환자를 미리 선별할 수 있어 정밀치료의 대표적인 예이다.

- 177Lu-DOTATATE : 신경내분비종양의 소마토스타틴 수용체가 표적

- 177Lu-PSMA : 전립선특이막항원이 표적

- 225Ac-PSMA : 알파선 방출핵종인 225Ac을 표지

 

▶ PET 시스템에는 PET 기기 외에도 양전자를 방출하는 의약품을 만들기 위한 사이클로트론이 필요하다.

 화합물의 화학합성 과정이 자동화되었으며 사이클로트론의 크기도 소형화되었다. 초소형 사이클로트론과 함께 미세유체(microfluidics) 기술이 적용되어 합성과정의 소형화로 방사성의약품 생산, 품질검사까지 30 ㎥ 크기의 방에 설치 가능한 시스템이 개발되었다.

(천정고 2.3 m인 아파트 기준으로 약 13 ㎡(4평) 넓이)

 

▶ 토탈바디 PET촬영기(total body PET)

 Cherry 등은 PET 검출기 개수를 종축으로 늘려 신체에서 나오는 대부분의 감마선을 동시에 얻을 수 있는 토탈바디 PET촬영기(total body PET)를 개발하여 0.25 mCi를 주사하여도 기존 장비의 10 mCi에 해당하는 신호대 잡음비를 얻을 수 있었다. 이렇게 저선량을 이용하여 PET 검사가 가능하면 건강검진에 많이 사용하게 될 것이다.

 

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예상문제

저선량을 이용한 PET 검사 방법은?

토탈바디 PET촬영기(total body PET)

: PET 검출기 개수를 종축으로 늘려 신체에서 나오는 대부분의 감마선을 동시에 얻을 수 있어 0.25 mCi를 주사하여도 기존 장비의 10 mCi에 해당하는 신호대 잡음비를 얻을 수 있다.

 

PET is widely considered the most sensitive technique available for noninvasively studying physiology, metabolism, and molecular pathways in the living human being. However, the utility of PET, being a photon-deficient modality, remains constrained by factors including low signal-to-noise ratio, long imaging times, and concerns about radiation dose. Two developments offer the potential to dramatically increase the effective sensitivity of PET. First by increasing the geometric coverage to encompass the entire body, sensitivity can be increased by a factor of about 40 for total-body imaging or a factor of about 4–5 for imaging a single organ such as the brain or heart. The world’s first total-body PET/CT scanner is currently under construction to demonstrate how this step change in sensitivity affects the way PET is used both in clinical research and in patient care. Second, there is the future prospect of significant improvements in timing resolution that could lead to further effective sensitivity gains. When combined with total-body PET, this could produce overall sensitivity gains of more than 2 orders of magnitude compared with existing state-of-the-art systems. In this article, we discuss the benefits of increasing body coverage, describe our efforts to develop a first-generation total-body PET/CT scanner, discuss selected application areas for total-body PET, and project the impact of further improvements in time-of-flight PET.

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5750522/

Total-Body PET: Maximizing Sensitivity to Create New Opportunities for Clinical Research and Patient Care