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 있는데, 그 첫째는 불안정한 원자핵이 주로 알파붕괴나 베타붕괴 직후 들뜬 상태의 딸핵종이 붕괴하면서 원자핵으로부터 방출하는 하나의 광자(주로 감마선)를 검출하는 것이고, 또 다른 한 종류는 원자핵에서 방출된 양전자가 주변 자유전자를 만나 소멸되며 두 개의 감마선을 서로 반대 방향으로 방출하는 것이다.
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: positron emission tomography)이라 하며 각종 에너지원의 대사영상 및 신경수용체 시스템 영상에 널리 쓰이는데 그 사용이 최근 들어 급격히 증가하고 있다.
30706. 단일광자방출체전산화단층촬영(SPECT)의 기본 원리를 설명하라.
정답:
핵의학적 영상 진단은 특정 방사성동위원소나 이러한 방사성동위원소를 각종 생물학적 물질에 표지한 방사성추적자(radiotracer)를 체내에 주입해주고 방사성동위원소에서 방출되는 감마선의 위치 및 양적 정보를 영상화하는 방법으로 이루어진다.
이러한 핵의학영상을 위하여 사용되는 감마선 방출 방사성동위원소는 크게 두 종류로 분류할 수 있는데 그 첫째는 불안정한 원자핵이 주로 알파붕괴나 베타붕괴 직후 들뜬 상태의 딸핵종이 붕괴하면서 원자핵으로부터 방출하는 하나의 광자(주로 감마선)을 검출하는 것이고 또 다른 한 종류는 원자핵에서 방출된 양전자가 주변 자유전자를 만나 소멸되며 두 개의 감마선을 서로 반대 방향으로 방출하는 것이다.
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 일정방향으로 카메라에 입사되는 감마선만을 검출하기 위한 조준기(collimator)를 필수적으로 사용하는 특징을 가진다.
이러한 감마카메라를 환자 주변으로 회전시키면서 여러 방향의 투사영상을 얻고 이들 투사영상에서 부터 영상재구성 기법을 이용하여 단면영상을 얻는 기법을 단일광자단층촬영(SPECT; single photon emission computed tomography)이라 하며 심근이나 뇌혈류를 측정하는 등의 생리적 영상에 널리 활용되고 있다.
고창순 핵의학 p.65~66
섬광카메라의 중요 구성성
섬광카메라의 중요 구성성분은 다음과 같다.
- 조준기 collimator
- 섬광결정 scintillation crystal
- 광전자증배관 photomultiplier tube
- 파고분석기 pulse height analyzer
- 위치검출회로 position logic circuit
조준기 구멍을 통과한 감마선은 섬광결정에서 가시광선으로 전환되고 이 가시광선은 광전자증배관을 통해 전기적인 신호로 바뀐 후 전단증폭기를 거쳐 위치 검출회로와 파고분석기로 전달된다.
조준기는 격벽의 배열 형태에 따라 다음과 같이 분류한다.
- 평행구명조준기
- 바늘구멍조준기
- 집속형조준기
- 확산형조준기
- 부채살조준기
31210. 감마카메라(섬광카메라)의 중요 구성요소 5가지
정답:
(1) 조준기 collimator
(2) 섬광결정 scintillation crystal
(3) 광전자증배관 photomultiplier tube
(4) 파고분석기 pulse height analyzer
(5) 위치검출회로 position logic circuit
단일광자단층촬영(SPECT)
기본원리
감마카메라를 우리 몸 주위로 회전시키며 여러 방향의 2차원 투사상을 얻고 이를 사이노그램 형태로 변환한 후 이에 영상재구성 기법을 적용하여 단면영상을 얻는 핵의학적 영상 방식을 SPECT라 한다. 이러한 단면영상은 일반 감마카메라 영상으로는 알기 어려운 선원의 깊이 정보를 제공한다. 따라서 모든 깊이에서 발생한 방사선을 중첩하여 얻는 일반 감마카메라 영상에 비해서 대조도와 해상도가 뛰어나다.
30706. 단일광자방출체전산화단층촬영(SPECT)의 기본 원리를 설명하라.
정답:
단일광자단층촬영(SPECT)
기본원리
감마카메라를 우리 몸 주위로 회전시키며 여러 방향의 2차원 투사상을 얻고 이를 사이노그램 형태로 변환한 후 이에 영상재구성 기법을 적용하여 단면영상을 얻는 핵의학적 영상 방식을 SPECT라 한다.
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.
양전자단층촬영(PET)
기본원리
PET은 원자핵 내의 양성자 수에 비해 중성자 수가 상대적으로 적어 불안정한 방사성동위원소인 18F, 11C, 13N, 15O 등을 이용하는 영상법이다. 이러한 방사성동위원소는 원자핵에서 하나의 양성자가 중성자로 변환되면서 양전자를 방출하고 안정된 상태가 된다. 이렇게 방출된 양전자는 일정거리를 비행한 후 원자핵 주변의 전자와 만나 소멸되고, 511 keV의 에너지를 갖는 두 개의 감마선을 방출하게 된다. 이때 두 개의 감마선은 에너지와 운동량 보존법칙에 의하여 아주 적은 오차 범위 내에서 180˚의 반대 방향으로 방출되며, 이들을 동시에 검출하여 감마선이 방출된 방향과 위치를 기록하는 것이 PET 장치이다. 즉, 두 감마선이 동시에 검출되면(실제로는 일정 시간간격(시간 창, timing window) 내에 두 감마선이 검출되면) 두 검출 위치를 지나가는 직선(line of response, LOR)상에서 두 개의 감마선이 생성되었다는 것을 알 수 있는 것이다. PET은 이러한 원리 때문에 조준기가 필요 없으므로 민감도와 해상도가 단일광자영상장치에 비하여 뛰어난 장점이 있다. 특히 민감도가 우수하므로 빠른 영상획득이 가능하여 방사성추적자의 동태를 실시간에 기록하고 이를 추적자동역학 기법으로 분석하여 각종 생리 및 생화학적 변수들을 정량화하는 데 활용되고 있다.
PET용 방사성동위원소 및 방사성추적자
현재 가장 널리 사용되는 PET용 방사성동위원소들인 18F, 11C, 13N 등은 반감기가 짧다는 것이 특징이고, 이들은 대부분 인체에 필수불가결한 원소여서 이를 표지한 방사성추적자의 생화학적 특성이 매우 우수하다. 그러나 양전자방출 방사성 핵종의 반감기가 짧기 때문에 양성자나 중양자와 같은 하전입자를 가속시키고 이를 각종 표적에 충돌시켜 불안정동위원소를 생성하는 사이클로트론과 이들 동위원소를 추적화합물에 빠른 시간 내에 표지할 수 있는 자동화된 방사성동위원소 표지화합물 생성장치를 갖추어야 하는 단점이 있다. 반면 반감기가 110분인 18F과 발생기(generator)에서 얻을 수 있는 82Rb, 68Ga 등은 사이클로트론을 설치하지 않고도 사용할 수 있다.
PET/CT
PET/CT는 현재 각각의 영상장치를 병렬로 배열하고 많은 방사선량을 사용하는 CT를 먼저 촬영한 후 이어서 PET를 촬영하는 방법을 사용하고 있다.
또한 이전에는 PET 영상에서 감마선의 감쇠 정도가 체내 위치에 따라 다르고 컴프턴 산란이 배경잡음을 유발하는 문제를 해결하기 위한 투과영상을 외부 감마선원을 이용하여 얻었던 것에 비하여 이를 CT 영상으로 대체함으로써 전체 영상획득에 걸리는 시간을 크게 줄일 수 있게 되었다. 이러한 장점들 때문에 PET/CT는 단독 PET을 빠르게 대체하였다.
영상 보정
물리적 반감기가 짧은 방사성동위원소를 사용하고, 두 개의 감마선을 동시에 검출해야 하며, 감마선의 검출빈도가 매우 높은 등의 이유로 인하여 PET 영상은 여러 물리적 현상의 영향을 받으며 이들은 PET 영상의 정량적 정확성을 저하시키는 요인이 된다. 따라서 정량적으로 정확한 PET 영상을 얻기 위해서는 이러한 물리적 에러 요인들에 대한 보정이 필수이며, 이러한 보정에는 붕괴보정, 불응시간보정, 랜덤보정, 정규화 보정, 감쇠보정, 산란보정 등이 있다.
(1) 붕괴보정(Decay Correction)
스캔시간에 비하여 상대적으로 반감기가 짧은 방사성동위원소를 사용하는 PET에서는 방사능 붕괴에 의한 계수율 감소를 보정하는 것이 중요하다. 특히 전체 스캔시간이 긴 동적영상이나 전신영상을 얻는 경우에 각 프레임 또는 각 베드 영상에 대한 붕괴 보정이 필수이며, 표준섭취계수(standardized uptake value, SUV)를 계산함에 있어서도 붕괴보정이 필수이다. 이러한 방사능 붕괴는 붕괴 공식에 의해서 역으로 보정될 수 있다.
(3) 랜덤보정(Random Correction)
랜덤계수는 서로 다른 쌍소멸 반응으로부터 발생하여 서로 연관이 없는 두 개의 감마선이 우연히 동시에(엄밀히 말하면 동시계수 시간창 내에서) 검출되는 경우를 의미한다. 이러한 랜덤계수는 동시계수 시간창이 넓어질수록, 방사능의 세기가 셀수록 커지며, 배경 잡음 수준을 증가시키게 된다. 따라서 이러한 랜덤계수의 분포를 추정하여 제거해 주는 것이 필요하다. 랜덤보정을 위해서는 주로 다음의 두 가지 방법이 사용된다.
첫째는 단일계수율을 측정하고 이와 동시회로의 시간창 정보를 이용하여 랜덤계수율을 측정하는 방법이다.
둘째는 지연(dealayed) 동시계수 회로를 이용하여 랜덤계수율을 구하는 방법이 있다.
(5) 산란보정(Scatter Correction)
산란계수는 PET 영상의 질을 저하시키는 주요한 요인 중 하나로, 3D PET의 경우 전체 동시계수의 절반 정도를 차지할 정도로 그 영향이 크다. PET에서 감마선의 산란은 피사체 내에서 일어나기도 하고 섬광결절 내에서 일어나기도 하는데, 두 경우 모두 감마선이 산란을 일으키며 에너지를 잃고 잃어버린 에너지가 산란각과 일정한 관계를 갖는 컴프턴 산란이 주를 이룬다.
(6) 감쇠보정(Attenuation Correction)
감쇠보정이란 광자가 매질을 통과할 때 광전효과, 컴프턴 산란 등으로 인해서 검출기에 도달하지 못하는 확률을 보정하는 것을 의미한다.
가. PET 감쇠 현상의 특징
감마선은 에너지가 높을수록 물질에 대한 투과율이 높다. 따라서 511 keV 에너지를 갖는 감마선을 사용하는 PET에서 감쇠현상은 보다 낮은 에너지를 사용하는 단일광자 영상에 비해서 감쇠현상에 의한 영향이 적을 것이라 생각할 수 있다. 실제로 하나의 감마선에 대한 감쇠 정도는 단일광자 영상에 비해서 적다. 그러나 PET은 두 개의 감마선이 모두 검출되어야 동시계수가 성립되므로 둘 중 하나의 감마선만 소실되어도 감쇠된 것으로 봐야 하므로 감쇠현상이 단일광자 영상에 비해서 더 심하고 따라서 감쇠보정이 필수적이다.
나. 감마선원을 이용한 감쇠보정
다. X-선원을 이용한 감쇠보정
PET/CT 시스템에서는 CT 영상을 단순히 선형 변환하여 PET의 감쇠 및 산란보정에 사용할 수 있다.
CT 영상을 사용하는 경우 전체 검사 시간을 단축할 수 있으며, 감마선원을 이용한 투과영사에 비해서 CT 영상의 잡음 특성이 훨씬 좋으므로 보정된 방출 PET의 질도 보다 우수하다.
반면 CT와 PET 영상의 불일치로 인한 영상 왜곡이 생길 수 있다. 특히 호흡으로 인한 움직임이 심한 폐의 하부나 간의 상부, 그리고 움직이는 장기인 심장 영상 등에 이러한 왜곡이 일어날 수 있으므로 주의가 필요하다.
22410-1. PET-CT 보정하는 방법.
(A) 계수율
(B) 우연히 두 개의 감마선
(C) 컴프턴 등으로 소실
정답:
(A) 계수율
(1) 붕괴보정(Decay Correction)
스캔시간에 비하여 상대적으로 반감기가 짧은 방사성동위원소를 사용하는 PET에서는 방사능 붕괴에 의한 계수율 감소를 보정하는 것이 중요하다. 특히 전체 스캔시간이 긴 동적영상이나 전신영상을 얻는 경우에 각 프레임 또는 각 베드 영상에 대한 붕괴 보정이 필수이며, 표준섭취계수(standardized uptake value, SUV)를 계산함에 있어서도 붕괴보정이 필수이다. 이러한 방사능 붕괴는 붕괴 공식에 의해서 역으로 보정될 수 있다.
(B) 우연히 두 개의 감마선
(3) 랜덤보정(Random Correction)
랜덤계수는 서로 다른 쌍소멸 반응으로부터 발생하여 서로 연관이 없는 두 개의 감마선이 우연히 동시에(엄밀히 말하면 동시계수 시간창 내에서) 검출되는 경우를 의미한다. 이러한 랜덤계수는 동시계수 시간창이 넓어질수록, 방사능의 세기가 셀수록 커지며, 배경 잡음 수준을 증가시키게 된다. 따라서 이러한 랜덤계수의 분포를 추정하여 제거해 주는 것이 필요하다. 랜덤보정을 위해서는 주로 다음의 두 가지 방법이 사용된다.
첫째는 단일계수율을 측정하고 이와 동시회로의 시간창 정보를 이용하여 랜덤계수율을 측정하는 방법이다.
둘째는 지연(dealayed) 동시계수 회로를 이용하여 랜덤계수율을 구하는 방법이 있다.
(C) 컴프턴 등으로 소실
(5) 산란보정(Scatter Correction)
산란계수는 PET 영상의 질을 저하시키는 주요한 요인 중 하나로, 3D PET의 경우 전체 동시계수의 절반 정도를 차지할 정도로 그 영향이 크다. PET에서 감마선의 산란은 피사체 내에서 일어나기도 하고 섬광결절 내에서 일어나기도 하는데, 두 경우 모두 감마선이 산란을 일으키며 에너지를 잃고 잃어버린 에너지가 산란각과 일정한 관계를 갖는 컴프턴 산란이 주를 이룬다.
(6) 감쇠보정(Attenuation Correction)
감쇠보정이란 광자가 매질을 통과할 때 광전효과, 컴프턴 산란 등으로 인해서 검출기에 도달하지 못하는 확률을 보정하는 것을 의미한다.
가. PET 감쇠 현상의 특징
감마선은 에너지가 높을수록 물질에 대한 투과율이 높다. 따라서 511 keV 에너지를 갖는 감마선을 사용하는 PET에서 감쇠현상은 보다 낮은 에너지를 사용하는 단일광자 영상에 비해서 감쇠현상에 의한 영향이 적을 것이라 생각할 수 있다. 실제로 하나의 감마선에 대한 감쇠 정도는 단일광자 영상에 비해서 적다. 그러나 PET은 두 개의 감마선이 모두 검출되어야 동시계수가 성립되므로 둘 중 하나의 감마선만 소실되어도 감쇠된 것으로 봐야 하므로 감쇠현상이 단일광자 영상에 비해서 더 심하고 따라서 감쇠보정이 필수적이다.
다. X-선원을 이용한 감쇠보정
PET/CT 시스템에서는 CT 영상을 단순히 선형 변환하여 PET의 감쇠 및 산란보정에 사용할 수 있다.
CT 영상을 사용하는 경우 전체 검사 시간을 단축할 수 있으며, 감마선원을 이용한 투과영사에 비해서 CT 영상의 잡음 특성이 훨씬 좋으므로 보정된 방출 PET의 질도 보다 우수하다.
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