10 핵의학 진단 개론 - 1. 핵의학 영상법 개론

1. 핵의학 영상법 개론

 

 1) 양전자방출단층촬영술(PET)

 (2) [18F]FDG PET

① 기본원리

가. 종양

▶ 암세포에서 포도당 섭취에 관여하는 인자들은 다음과 같다.

 (가) 포도당 운반체(Glucose Transporter, GLUT)

 : GLUT라는 특별한 운반체에 의해서 포도당은 세포내로 들어간다. 여러 동종유형(isoform) 중 GLUT-1이 암세포에서 증가하여 있다.

 뇌종양, 두경부암, 식도암, 위암, 폐암, 유방암, 대장암, 췌장암, 자궁암 등에서 GLUT-1의 발현이 증가된다. 폐암, 위암, 난소암 등 몇 가지 암세포의 일부에서 GLUT-3이 증가되었다는 보고가 있다. 그러나 이 운반체의 농도 증가는 모든 암세포의 공통적인 특징은 아니어서 림프종, 뇌암, 갑상선암, 흑색종, 간암에서 면역조직검사상 GLUT-1의 발현이 나타나지 않기도 한다.

 감염, 열 쇼크(heat shock), 허혈이 생기면 순간적인 이동에 의하여 GLUT의 발현이 증가한다.

 (나) 포도당 분해효소(Glycolytic Enzymes)

 : 암세포는 정상세포보다 포도당 분해효소들이 증가되어 있고, 특히 헥소키나아제(hexokinase)의 농도가 증가된다. 포도당-6-인산분해효소(glucose-6-phosphatase)의 농도는 감소되어 있다. 헥소키나아제의 동종효소 중 헥소키나아제-II가 암세포에서 증가되어 있다.

 (다) 다른 생물학적 인자

 : 종양세포가 혈류를 적게 받아 허혈상태에 이르면 심근세포와 마찬가지로 혐기성 해당작용(anaerobic glycolysis)이 증가되어 포도당 섭취가 증가하게 된다.

 

나. 뇌

 : 포도당은 뇌 기능 유지에 필요한 삼인산 아데노신(ATP, adenosine triphosphate)의 95%를 공급하며, 정상 상태에서 뇌신경의 활성도는 포도당 대사와 밀접하게 연관되어 있다.

 

다. 심근대사

 : 정상 상태에서 심장에 필요한 에너지 대부분은 지방산이 공급하지만, 심근 경색 등의 원인으로는 산소공급이 부족해진 심근영역에서는 포도당 대사가 증가하며 따라서 [18F]FDG의 섭취도 증가한다.

 

② 촬영방법

▶ 종양 및 뇌 영상의 경우 [18F]FDG 정맥주사 전 4~6시간, 심근대사 영상의 경우 6~12시간 공복이어야 한다. 혈당이 높은 경우 정맥주사한 [18F]FDG와 경쟁작용이 증가하고, 혈중 인슐린 상승으로 인한 근육 내 [18F]FDG 섭취 증가와 이로 인한 관심영역의 [18F]FDG 섭취감소의 우려가 있다.

 따라서, 대부분의 PET 센터에서 [18F]FDG 정맥주사 전 측정한 혈당이 150~200 mg/dL 이상이면 다른 날 촬영하는 것을 검토한다.

 

▶ 약 370 MBq (10 mCi)의 [18F]FDG를 정맥주사하고 45~60분 뒤 스캔을 얻으며, 촬영을 기다리는 동안 육체적인 운동을 하면 관련 근육에서 [18F]FDG 섭취가 증가하므로 안정을 취하게 한다.

 특히 말을 많이 하는 경우 성대근육에 [18F]FDG 섭취가 증가한다. 육체적 운동은 FDG 주사 전에도 영향을 미치기 때문에 검사 전날에도 안정을 취하게 한다. 소변으로 FDG의 배설을 돕기 위하여 500 ml의 물을 마시게 한 후 촬영에 들어간다. 경우에 따라 이뇨제를 촬영 전에 주사하기도 한다. 환자가 긴장하면 목 근육에 FDG 섭취가 증가하여 림프절 섭취와 구별이 힘든 경우가 있어 디아제팜(diazepam) 5~10 mg을 경구 투여하기도 한다. 우리나라 사람의 경우 장운동이 활발하여 대소장의 FDG 섭취가 증가하여 판독에 어려움이 있기도 한다. 이런 경우 메베베린(mebeverine) 125 mg을 경구투여 후 촬영한다.

 

③ 정량분석

▶ PET의 영상은 육안에 의하여 정성적으로 분석할 뿐만 아니라 종양 내의 방사성 핵종 집적 정도를 측정하여 정량 분석할 수 있다. 실제 임상에서는 반정량적인 방법인 SUV(standardized uptake value)로 종양 내 방사성의약품 집적 정도를 평가한다.

SUV = {100x(조직에 모여든 방사능÷조직의 체적(ml)}/{총투여 방사능÷환자의 몸무게(g)}

 

▶ 그러나 여러 인자가 SUV 수치에 영향을 미친다.

환자 인자	환자의 체형 : 지방조직의 양 혈중 포도당 농도 종양의 크기 정성 조직의 섭취 증가 : 운동
촬영기기 인자	투과영상 방법 방사능 검출 회수율
촬영기법 인자	방사성 핵종의 누출 FDG 주사량 FDG 주사와 촬영 간격

▶ 환자의 체형이 중요하다. 특히 지방세포는 다른 세포보다 FDG의 섭취가 현저하게 낮기 때문에 비만이 있는 경우 종양의 SUV가 실제보다 높게 나온다. 운동에 의하여 전신 근육에 섭취가 증가하면 병소로 모일 수 있는 FDG 숫자가 적게 된다. 암조직이 정상조직과 중복되어 나타나는 부분체적 효과(partial volume effect)가 있어 2 cm 이하의 종양에서는 평균 SUV가 아닌 최대 SUV가 많이 쓰이고 있다. 부분체적 효과는 작고 주변부가 불규칙적으로 생긴 종양에서 더 영향이 크다. 혈중 포도당 농도도 중요한 인자이다. 금식이 충분하지 않거나 당뇨병이 있는 경우 종양 내 FDG 섭취가 감소한다. 정상보다 2배 혈당이 높으면 종양 내 SUV가 40% 정도 낮아진다. PET 촬영 전에 혈당을 측정하고 높은 경우에는 인슐린 주사로 정상화 할 수 있다.

 

▶ 촬영기기에 따라서도 SUV가 변한다. 방사성 핵종으로 투과영상을 얻어 보정한 경우 CT로 보정한 경우보다 일반적으로 SUV가 낮게 나타난다. 기술적인 문제가 있어도 SUV가 변화한다. 주사한 FDG가 혈액 내로 모두 들어가지 않고 일부 혈관 바깥으로 누출되면 SUV가 낮게 나타난다. FDG 주사와 촬영 간의 시간 간격도 중요하다. 암세포의 FDG 섭취는 시간에 비례하여 증가하고 5시간쯤 되어야 평형상태에 도달한다. 따라서 일정한 시간 간격으로 촬영하는 것이 비교연구에 필수적이다.

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예상문제

PET 촬영을 기다리는 동안 육체적인 운동을 하면 관련 근육에서 [18F]FDG 섭취가 증가하므로 안정을 취하게 한다. 특히 말을 많이 하는 경우 성대근육에 [18F]FDG 섭취가 증가한다. 육체적 운동은 FDG 주사 전에도 영향을 미치기 때문에 검사 전날에도 안정을 취하게 한다. 환자가 긴장하면 목 근육에 FDG 섭취가 증가하여 림프절 섭취와 구별이 힘든 경우가 있어 디아제팜(diazepam) 5~10 mg을 경구 투여하기도 한다.

 

소변으로 FDG의 배설을 돕기 위하여 500 ml의 물을 마시게 한 후 촬영에 들어간다. 경우에 따라 이뇨제를 촬영 전에 주사하기도 한다. 

 

우리나라 사람의 경우 장운동이 활발하여 대소장의 FDG 섭취가 증가하여 판독에 어려움이 있기도 한다. 이런 경우 메베베린(mebeverine) 125 mg을 경구투여 후 촬영한다.ㅊ

 

종양의 SUV가 낮아지는 경우와 거리가 먼 것은?
A. 비만이 있는 경우
B. 운동에 의하여 전신 근육에 섭취가 증가하는 경우
G. 금식이 충분하지 않거나 당뇨병이 있는 경우
M. 방사성 핵종으로 투과영상을 얻어 보정한 경우 CT로 보정한 경우

A.

 

▲지방세포는 다른 세포보다 FDG의 섭취가 현저하게 낮기 때문에 비만이 있는 경우 종양의 SUV가 실제보다 높게 나온다. 

▼운동에 의하여 전신 근육에 섭취가 증가하면 병소로 모일 수 있는 FDG 숫자가 적게 된다.

▼금식이 충분하지 않거나 당뇨병이 있는 경우 종양 내 FDG 섭취가 감소한다.

▼방사성 핵종으로 투과영상을 얻어 보정한 경우 CT로 보정한 경우보다 일반적으로 SUV가 낮게 나타난다.

▼주사한 FDG가 혈액 내로 모두 들어가지 않고 일부 혈관 바깥으로 누출되면 SUV가 낮게 나타난다.

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 2) 단일광자방출단층촬영술(SPECT)

 (2) 이용분야

▶ SPECT를 이용한 심근관류영상은 심혈관질환의 위험도 분류와 치료계획 설정에 중요한 역할을 한다.

▶ 뇌혈류 SPECT를 이용하면 뇌혈류 장애가 있는 영역을 찾거나, 뇌혈류 장애영역의 범위와 특성을 평가할 수 있고, 발작기간에 혈류가 증가하고 발작 간 기간에는 혈류가 증가하지 않는 간질유발 영역을 찾을 수 있다.

▶ 뼈스캔은 평면영상으로서 손이나 발과 같이 복잡한 구조를 영상화하는 데 제한이 있으나, 뼈 SPECT을 이용하면 손, 발, 척추 및 관절질환에서 이상부위를 보다 정확하게 평가할 수 있다는 장점이 있다.

▶ 갑상선암 환자의 수술 후 131I 치료 후 SPECT를 이용하면 전이병변과 생리적인 섭취를 감별할 수 있다.

▶ 이 외에도, SPECT는 신경내분비 종양영상이나 감시림프절 영상에서 이용되고 있다.

 

 3) 상관영상(Correlative imaging)

 (3) PET/CT

▶ PET/CT는 PET과 CT를 함께 촬영하는 장비인데, 여기에서 CT는 PET 영상의 감쇠 및 산란을 보정하고 높은 공간적 해상도의 해부학적 영상정보를 제공하는 목적으로 이용된다.

 일반적으로 PET/CT는 CT 토포그램, 저선량 CT, PET 영상획득의 순서로 진행되는데, 조영제를 투여하고 보다 높은 선량의 CT를 촬영하여 진단에 이용하기도 한다.

▶ CT와 PET을 촬영하는 사이에 환자의 움직임이 클 경우 PET/CT 융합 시 인공산물이 생기게 된다. PET/CT에서 움직임에 의한 인공산물을 최소화하기 위해서는 영상 촬영 전 환자가 소변을 봐서 방광을 비우도록 하고, 촬영 시 환자가 최대한 편한 자세를 취할 수 있도록 하며, 촬영 도중 움직이지 않도록 교육시켜야 한다. 그럼에도 불구하고, 호흡운동, 심장 및 위장관의 운동은 불가피하기 때문에 이 영역들을 판독할 때에는 PET/CT 융합영상과 함께 각각의 PET과 CT 영상을 세심하게 관찰해야 한다. 또한, 인공관절, 심장박동기, 치과보철물 및 조영증강된 혈관 등 CT에서 높은 감쇠를 보이는 인공구조물의 주변부는 CT를 이용하여 감쇠보정을 하는 PET 영상에서 과보정되어 높은 신호를 나타낸다. 이 경우 감쇠보정을 하지 않은 PET 영상에서는 높은 신호가 보이지 않는다.

 

 (4) SPECT/CT

▶ SPECT/CT는 종양, 근골격계, 심혈관계 및 뇌신경계 등 다양한 분야에 이용되고 있다.

 예를 들어, SPECT/CT는 갑상선암의 131I 또는 123I 전신 영상에서 섭취증가를 보이는 병소의 해부학적 위치와 형태학적 정보를 파악해 전이병소의 해부학적 위치와 형태학적 정보를 파악해 전이병소의 진단에 활용되고 있고, 신경내분비종양의 진단, 병기설정 및 추적관찰에도 유용하다. 감시 림프절 신티그라피에서 SPECT/CT를 이용하면 림프절의 정확한 위치를 파악할 수 있으며, 뼈스캔에서는 섭취증가 부위의 위치와 CT의 형태학적 정보를 이용하여 뼈전이 진단 정확도를 향상시킬 수 있다. 심근관류영상에서는 심근과 인접한 연부조직의 감쇠에 의해 정상관류 심근임에도 불구하고 관류가 감소된 것처럼 보일 수 있는데, 이때 CT를 이용한 감쇠보정이 도움이 될 수 있다. 이 외에도, 방사선 선량측정 시 SPECT/CT를 이용하면 SPECT의 방사선량 정보와 CT의 해부학적 정보를 함께 이용할 수 있으므로, 보다 정확하게 장기별 선량을 파악할 수 있다.

 

(5) PET/MRI

① PET/MRI의 장점과 단점 : PET/CT와의 비교

▶ PET/CT와 PET/MRI의 차이점은 CT와 MRI의 차이로 나누어 볼 수 있다.

 CT에 비해 MRI의 장점은 연부조직 해상도가 높다는 것과 방사선 피폭이 없다는 것이다. 따라서 PET/MRI는 높은 연부 조직 해상도가 필요한 뇌조직, 두경부암, 부인암 분야에, 방사선 피폭을 최소화하는 것이 좋은 소아나 젊은 여성에서 그 유용성이 크다.

 반면, MRI는 강한 전자기장을 형성하기 때문에 심박 조율기, 이식형 심장 제세동기, 기계식 심장 판막을 가지고 있는 사람은 PET/MRI 검사가 불가능하다. 또한 일반적으로 조영제를 사용하지 않는 PET/CT에 비하여 조영제를 사용하는 PET/MRI는 신장 기능의 저하, 드물게 신원선 전신섬유증의 위험이 있다는 단점이 있다.

▶ 한편 기존 PET/CT에서 CT 촬영 이후 PET을 차례로 촬영하는 방식과 달리 PET/MRI는 PET과 MRI의 동시 계측을 시행할 수 있다는 장점이 있다.

▶ 반면 PET/MRI의 감쇠보정은 한계를 가지고 있다. CT 감쇠계수를 그대로 이용하는 PET/CT와 달리 PET/MRI에서는 atlas 기반, 혹은 image segmentation 기법을 통해 감쇠 보정을 시행하는데 이 두 방법 모두 아직 한계점이 있다.

	Atlas 기반 감쇠보정	Image segmentation 기반 감쇠보정
장점	- 연속적인 감쇠계수 얻을 수 있음	- 빠른 시행 가능 - 환자 특이적인 변이 고려 가능
단점	- 컴퓨터 계산 부하가 높음 - 환자 특이적인 변이 고려 불가능	- 연속적인 감쇠계수 얻을 수 없음 - 뼈조직 segmentation 어려움

 

② PET/MRI의 종양 영상 이용

▶ PET/CT는 상대적으로 낮은 PET의 공간 해상도와 조영증강하지 않은 CT 영상 이용 때문에 T staging이나 간이나 뇌의 전이 병소 발견하는 데에는 한계가 있으며 여전히 대부분의 임상 상황에서 보조적인 진단 검사로 여겨지고 있다.

▶ PET/MRI는 높은 공간 해상도, 연부조직 구분 능력을 지닌 MRI로 인하여 T, M staging에 이점이 있을 것으로 여겨지고 조영증강을 포함한 다양한 MR 시퀀스 활용이 용이하여 원스톱 진단 장비로 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

 

가. 뇌종양

▶ MRI의 높은 연부 조직 해상도와 DWI 등 기능적 영상의 가능성으로 인하여 뇌종양에서는 MRI가 가장 유용한 진단 기법이다. 따라서 PET/CT에 비하여 PET/MRI의 유용성이 예측되는 분야이다.

▶ 하지만 뇌종양 진단 시 MRI에서 몇 가지 제한점이 알려져 있는데

- 첫번째는 뇌교종의 침윤 범위가 T1, T2 MR image의 범위보다 넓다는 것이다. 뇌교종 진단에 아미노산 기반의 PET tracer들의 유용함이 잘 알려져 있는데 한 예로 [11C]methionine을 이용한 한 연구에서는 tumor infiltration 부위에도 섭취가 유의하게 증가되어 있는 것을 밝혔다.

- 두 번째로는 교종의 등급 결정이 잘 이루어지지 않아서 저등급 교종의 절반 정도만이 맞게 분류된다는 것이다. 실제로 조영증강되지 않는 종양의 1/3이 high grade임이 밝혀졌다.

- 세 번째로는 방사선 치료 후 괴사와 남아있는 암조직의 감별이 어렵다는 점이다. [11C]methionine을 이용한 한 연구에서는 잔존암을 진단할 수 있었다.

 

마. 유방암

▶ PET/MRI가 PET/CT에 비하여 절반 정도의 피폭량을 보였다.

 

③ 순환기에서의 PET/MRI

나. 생존 심근 평가

▶ 생존 심근을 평가하는 방법

- 기존의 관류 SPECT에서 휴식기 영상에서 섭취를 평가하는 것

- 201Tl 재분포를 평가하는 것

- 도부타민 에코에서 수축촉진제에 대한 반응을 평가하는 것

- [18F]FDG PET을 이용하여 대사를 평가하는 것

- MRI에서 지연 조영증강을 이용하는 방법

▶ 지연 조영증강은 가돌리늄 조영제를 주사한 이후 10~30분 뒤에 T1 강조 영상을 얻어 확인하는 방법으로 조영제가 심근경색 이후 비생존 심근에 저류되는 것을 이용한 것이다.

 하지만 지연 조영증강은 비생존 심근에 특이적인 소견은 아니어서 급성 심근경색, 심근염, 아밀로이도시스, 심장 종양 등에서도 나타날 수 있다.

 

④ 신경계에서의 PET/MRI

가. 간질

▶ 난치성 간질에서 수술적 치료를 고려할 때에 seizure focus의 국소화는 매우 중요하다.

- ictal, interictal 뇌관류 SPECT

- interictal [18F]FDG PET

- MRI

▶ 흔한 seizure focus로 mixed neuronal and glial tumor(MNGT) 등 benign tumor나 focal cortical dysplasia(FCD)가 있는데 종종 MRI에서 benign tumor와 FCD가 감별이 안되는 경우가 있다. 이러한 경우 [11C]methionine PET이 benign tumor에서 섭취가 많이 되어 감별에 도움이 된다는 것이 보고되어 동시계측 PET/MRI가 유용할 것으로 기대된다.

 

나. 퇴행성 뇌질환

▶ [18F]FDG PET의 특징적 대사 감소 패턴, 아밀로이드 PET에서 피질 섭취 증가 유무, 도파민 수용체 PET에서 선조체 섭취 감소 패턴 등으로 다양한 퇴행성 뇌질환의 진단 및 감별 진단이 가능하다.

▶ 하지만 작고 복잡한 뇌의 부위를 평가하는데, PET은 환자의 움직임이나 atrophy에 의한 partial volume effect (PVE)으로 인한 제한점이 있다. 이에 동시 계측 PET/MRI를 이용하여 motion correction, PVE correction을 시행하면 더 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.