04 핵의학 영상기기 및 다중융합영상 - 1. 단일광자영상

1. 단일광자영상

 1) 서론

 (2) 핵의학 영상의 원리와 종류

▶ 핵의학적 영상 진단은 특정 방사성동위원소나 이러한 방사성동위원소를 각종 생화학적 물질에 표지한 방사성추적자(radiotracer)를 체내에 주입해주고 방사성동위원소에서 방출되는 감마선의 위치 및 양적 정보를 영상화하는 방법으로 이루어진다.

 이러한 핵의학 영상을 위하여 사용되는 감마선 방출 방사성동위원소는 크게 두 종류로 분류할 수 있다.

- 불안정한 원자핵이 주로 알파붕괴나 베타붕괴 직후 들뜬 상태의 딸핵종이 붕괴하면서 원자핵으로부터 방출하는 하나의 광자(주로 감마선)를 검출하는 것

- 원자핵에서 방출된 양전자가 주변 자유전자를 만나 소멸되며 두 개의 감마선을 서로 반대 방향으로 방출하는 것

 

가. 단일광자영상법

 첫 번째 종류의 방사성동위원소를 이용하는 핵의학 영상기법을 단일광자영상법(single photon imaging)이라 하며 이를 위한 영상시스템을 통상 감마카메라(gamma camera) 또는 섬광카메라(scintillation camera)라고 한다. 이는 일정 방향으로 카메라에 입사되는 감마선만을 검출하기 위한 조준기(collimator)를 필수적으로 사용하는 특징을 가진다.

 이러한 감마카메라를 환자 주변으로 회전시키면서 여러 방향의 투사영상을 얻고 이를 투사영상에서부터 영상재구성 기법을 이용하여 단면영상을 얻는 기법을 단일광자단층촬영(single photon emission computed tomography, SPECT)이라 하며 심근이나 뇌혈류를 측정하는 등 생리적 영상에 널리 활용되고 있다.

 

나. 양전자단층촬영

 두 번째 종류인 양전자 소멸에 이어 발생하는 감마선 쌍을 동시계측회로를 이용하여 측정하는 영상 방식을 양전자단층촬영(PET)이라 하며 각종 에너지원의 대사영상 및 신경수용체 시스템 영상에 널리 쓰이는데 그 사용이 최근 들어 급격히 증가하고 있다.

 

 2) 감마카메라(섬광카메라)

▶ X-선 영상은 전자궤도에서 방출되는 X-선을 외부에서 조사하는 형태(외부선원)이나, 핵의학 영상은 원자핵에서 방출되는 감마선이 인체 내부에서 발생하는 내부선원을 이용하는 영상이다.

 X-선 영상은 외부선원(X-선 발생장치)을 사용하기 때문에 선원의 위치를 사용자가 미리 알고 있으므로 검출기에 X-선이 검출되었을 때 X-선의 진행 방향이 저절로 결정된다. 그러나 감마선 영상의 경우 검출기의 특정 위치에서 감마선이 검출되었을 때 감마선이 방출되었을 위치는 임의의 공간이 될 수 있으므로 감마선의 진행 방향을 예측하는 것이 불가능하다. 따라서 감마선의 진행방향에 대한 특별한 조치를 취하지 않는 이상 선원의 위치에 대한 올바른 정보를 얻을 수 없다.

 감마카메라에서는 이러한 감마선의 방향 정보를 얻기 위하여 기계적 집속 또는 조준 방법을 이용하는데, 이를 위한 조준기는 감마카메라 영상의 특징을 결정짓는 중요한 구성 요소이다.

 (1) 시스템 구성

▶ 섬광카메라의 중요 구성성분

① 조준기(collimator)

② 섬광결절(scintillation crystal)

③ 광전자증배관(photomultiplier tube)

④ 파고분석기(pulse height analyzer)

⑤ 위치 검출회로(position logic circuit)

 조준기 구멍을 통과한 감마선은 섬광결정에서 가시광선으로 전환되고 이 가시광선은 광전자증배관을 통해 전기적인 신호로 바뀐 후 전단증폭기를 거쳐 위치 검출회로와 파고분석기로 전달된다.

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가. 조준기

▶ 종류

① 평행구멍조준기(parallel-hole collimator)

 : 이상적으로 섬광결정에 최종 검출되는 투사상은 피사체와 동일한 형태 및 크기를 갖는다. 

② 바늘구멍조준기(pinhole collimator)

 : 작은 피사체를 크게 확대하는데 이용된다. 갑상선 영상에 널리 이용되고 있다.

③ 집속형조준기(converging collimator)

 : 피사체에 비하여 확대된 투사상을 얻을 수 있어 영상을 얻을 수 있는 시야(field of view)는 평행구멍조준기에 비하여 줄어드나 영상의 해상도가 향상된다. 

④ 확산형조준기(diverging collimator)

 : 카메라보다 크기가 큰 피사체에 대한 영상을 얻을 때 사용할 수 있으나 해상도가 상대적으로 감소한다는 단점이 있다.

▶ 기본 형태를 혼합한 조준기

- 부채살(fan beam) 조준기

 : 주로 뇌 SPECT 영상에 사용되는 부채살 조준기는 한쪽 면은 격벽이 평행하게 배열되고 다른 면은 집속형조준기의 형태로 배열된 것이다. 확대된 단면상을 얻게 되므로 횡단면 해상도가 향상되는 특징이 있다.

- 집속형과 확산형 조준기를 혼합한 심장 SPECT 전용 조준기

 : 관심영역인 심장에 대해서는 확대된 고해상도 영상을 얻으면서도 충분한 시야를 확보할 수 있는 장점이 있다.

 

▶ 감마선의 에너지에 따라 다른 조준기를 선택하여야 한다.

- 저에너지 조준기 : 201Tl(69~81 keV), 57Co(122 keV), 99mTc(140 keV), 123I(159 keV)

- 중에너지 조준기 : 67Ga(93, 184, 296 keV), 111In(172, 247 keV)

- 고에너지 조준기 : 131I(284, 264 keV)

 

 (2) 시스템 특성

 감마카메라 시스템의 물리적 특성을 나타내는 지표로는 에너지분해능(energy resolution), 공간분해능(spatial resolution), 민감도(sensitiity), 균일도(uniformity), 공간선형성(spatial linearity) 등이 있다.

 감마카메라의 특성은 카메라의 내인성과 조준기에 의해서 결정되는 조준기 특성으로 나누어 생각할 수 있는데, 내인성 특성은 고정되어 있으므로 사용자는 상황에 맞는 조준기를 선택하여 영상의 특성을 조절할 수 있다.

 

가. 공간분해능 및 민감도

 조준기의 물리적 특성은 구멍과 격벽의 구조에 의해서 결정된다. 즉, 조준기 구멍이 넓어지고 짧아질수록 민감도는 향상되나 공간해상도는 감소한다. 민감도를 최대화하기 위해서는 격벽의 두께를 가능한 한 얇게 하여야 하나 두께가 얇아지면 감마선이 격벽에 의해 충분히 흡수되지 못하고 통과하는 현상(septial penetraion)이 생겨 해상도의 저하를 가져온다.

 조준기의 구조뿐 아니라 피사체와 조준기 사이의 거리도 조준기의 특성에 영향을 준다. 즉, 거리가 멀어질수록 해상도가 감소하므로 가능한 피사체와 조준기를 가까이 하는 것이 공간해상도를 향상시키는데 중요하다.

 

나. 균일도 및 공간선형성

 감마카메라의 균일도(uniformity)를 저하시키는 주요한 두 가지 요인은 다음과 같다.

 첫째는 감마카메라의 검출 효율이 위치에 따라 일정하지 않은 점이다.

 두 번째로 감마카메라 영상의 공간적 비선형성(spatial nonlinearity)을 들 수 있다. 이러한 비선형성은 소위 말하는 'pin-cushion 또는 barrel distortion'에 의해서 선선원 영상이 사인 함수 형태로 휘어 보이는 현상을 의미한다.

 현재 이용되고 있는 감마카메라 시스템들은 이러한 비선형성 및 불균일도에 대한 적절한 보정 방법들을 사용하고 있으나, 이들에 대한 주기적인 검사는 필수적이다.

 감마카메라의 균일도는 조준기를 장착하지 않거나(내인성 균일도), 특정 조준기를 장착하고(외인성 균일도) 측정할 수 있는데, 조준기를 장착하지 않은 경우 99mTc 점선원을 감마카메라 유효시야(useful field of view, UFOV) 크기의 5배 정도 되는 거리에 떨어뜨려 놓고 측정하며, 조준기를 장착한 경우에는 99mTc이나 57Co 평면선원을 조준기 앞에 평행하게 놓고 측정한다.

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예상문제

다음의 문장에 빠진 섬광카메라의 중요 구성성분을 채우시오.

 (      ) 구멍을 통과한 감마선은 (        )에서 가시광선으로 전환되고 이 가시광선은 (            )을 통해 전기적인 신호로 바뀐 후 (          )를 거쳐 (             )와 (          )로 전달된다.

 (조준기) 구멍을 통과한 감마선은 (섬광결정)에서 가시광선으로 전환되고 이 가시광선은 (광전자증배관)을 통해 전기적인 신호로 바뀐 후 (전단증폭기)를 거쳐 (위치 검출회로)와 (파고분석기)로 전달된다.

 

다음 조준기의 명칭을 쓰시오.

(가) 평행구멍, (나) 바늘구멍, (다) 집속형, (라) 확산형

 

다음 조준기는 어떤 형태를 조합한 것인지 쓰시오.
(가) 부채살 조준기, (나) 심장 SPECT 전용 조준기

- 부채살(fan beam) 조준기

 : 한쪽 면은 격벽이 평행하게 배열되고 다른 면은 집속형조준기의 형태로 배열된 것이다. 확대된 단면상을 얻게 되므로 횡단면 해상도가 향상되는 특징이 있다.

- 심장 SPECT 전용 조준기

 : 집속형과 확산형 조준기를 혼합한 형태. 관심영역인 심장에 대해서는 확대된 고해상도 영상을 얻으면서도 충분한 시야를 확보할 수 있는 장점이 있다.

감마카메라 균일도 측정에 사용하는 선원 3가지를 쓰시오.

(1) 조준기를 장착하지 않은 경우 99mTc 점선원

(2) 조준기를 장착한 경우에는 99mTc 평면선원 

(3) 조준기를 장착한 경우에는 57Co 평면선원 

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 3) 단일광자단층촬영(SPECT)

 (3) 시스템

가. 범용 SPECT 시스템

 2중헤드 감마카메라는 두 카메라를 마주보고 회전시키거나 직각으로 놓고 회전시키는 방식을 사용하는데 전자의 경우가 보다 일반적이다. 두 개의 카메라를 직각으로 놓고 영상을 얻는 경우는 심장 SPECT를 위한 것으로, 이는 심장이 우리 몸의 왼쪽 앞에 위치하므로 카메라가 오른쪽 뒤에서 영상을 얻는 경우 감쇠와 산란에 의하여 영상의 질이 감소하기 때문이다. 따라서 왼쪽 앞 180도에서 얻은 영상만으로 단층영상을 재구성했을 때 보다 좋은 영상을 얻을 수 있다.

 3중헤드 카메라는 동일한 민감도를 갖는 2중헤드 카메라에 비해서 검사시간을 2/3으로 단축시킬 수 있어 검사시간이 긴 기저-다이아목스 부하 뇌혈류 SPECT 검사나 빠른 영상 획득이 필요한 동적 SPECT 검사에 유용하다.

 

나. 심장 전용 SPECT

 SPECT 검사 중 다수를 차지하는 것이 심근관류 SPECT이다. 따라서 두 개의 감마카메라를 직각으로 고정하고 종축시야를 심장과 주변부만을 포함할 정도로 짧게 만든 비교적 소형의 심장전용 SPECT도 활용되고 있다. 

 또한 환자를 의자에 앉히고 의자를 회전하거나 카메라가 이동하여 영상을 얻는 심장전용 SPECT들도 사용되고 있는데 범용의 다중헤드 감마카메라에 비하여 응용범위는 한정이 되지만 공간을 적게 차지하며 빠른 검사가 가능한 장점이 있다.

 

다. SPECT/CT

 SPECT/CT는 방사성추적자를 투여한 후 CT 촬영을 먼저 하고 이어서 SPECT 영상을 얻는 순서로 이루어진다. CT 촬영을 하는 동안에도 방사성추적자에서 감마선이 방출되지만 CT에서 사용하는 X-선 양에 비하면 그 양이 적어 CT 영상에 영향을 주지 않는다. 두 영상을 동시에 얻지 못하는 이유는 상대적으로 양이 많은 X-선이 SPECT 영상에 영향을 주기 때문이다.

 

 (4) 영상보정

가. 감쇠보정

나. 산란보정 및 혼선보정

다. 조준기반응 보정 및 부분체적 효과

 선원과 조준기의 거리에 따라 변하는 조준기에 의한 공간 해상도 저하(depth-dependent collimator response)도 SPECT의 정량적 정확성을 떨어뜨리는 요인이 된다.

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예상문제

SPECT/CT 검사 시 SPECT와 CT 검사 순서와 이유를 기술하시오.

 SPECT/CT는 방사성추적자를 투여한 후 CT 촬영을 먼저 하고 이어서 SPECT 영상을 얻는 순서로 이루어진다.

 CT 촬영을 하는 동안에도 방사성추적자에서 감마선이 방출되지만 CT에서 사용하는 X-선 양에 비하면 그 양이 적어 CT 영상에 영향을 주지 않는다.

 두 영상을 동시에 얻지 못하는 이유는 상대적으로 양이 많은 X-선이 SPECT 영상에 영향을 주기 때문이다.

 

정량적 SPECT를 위해서 필수적인 영상보정 3가지

가. 감쇠보정

나. 산란보정 및 혼선보정

다. 조준기반응 보정 및 부분체적 효과