감마카메라

1) 서론

(1) 의료영상의 종류

의료영상은 영상을 통해 주로 얻고자 하는 정보의 특성에 따라 구조영상(structural image)과 기능영상(functional image)으로 나눌 수 있다.

 

(2) 핵의학 영상의 원리와 종류

핵의학적 영상진단은 특정 방사성동위원소나 이러한 방사성동위원소를 각종 생화학적 물질에 표지한 방사성추적자(rediotracer)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 들뜬상태의 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 photone 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 이들 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.

 

2) 감마카메라(섬광카메라)

핵의학 영상(또는 감마선 영상)을 X-선 영상과 비교하여 이해하면 단일광자 영상 시스템의 특성을 보다 쉽게 이해할 수 있다. X-선 영상은 전자궤도에서 방출되는 X-선을 외부에서 조사하는 형태(외부선원)이나, 핵의학 영상은 원자핵에서 방출되는 감마선이 인체 내부에서 발생하는 내부선원을 이용하는 영상이다.

 

X-선은 외부선원(X-선 발생장치)을 사용하기 때문에 선원의 위치를 사용자가 미리 알고 있으므로 검출기에 X-선이 검출되었을 때 X-선의 진행 방식이 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 진행 방향에 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 구성성분은 다음과 같다.

1. 조준기(collimator)
2. 섬광결정(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.

 

가. 조준기(Collimator)

앞서 기술한 바와 같이 조준기는 임의의 방향에서 감마카메라로 입사하는 감마선의 방향을 조절하기 위한 장치이다. 감마선과 같은 높은 에너지의 광자는 광학렌즈를 이용한 광학적 접속이 불가능하다. 이처럼 감마선의 방향을 인위적으로 조절할 수 없기 때문에 감마카메라에서는 원하지 않는 방향으로 들어오는 감마선을 차단하는 기계적 집속 방법을 사용한다.

 

가) 구조

이러한 기계적 집속을 위한 조준기는 대략적으로 납, 텅스텐 등의 높은 원자번호와 밀도를 갖는 두꺼운 금속판에 구멍을 뚫어놓은 형태라고 생각하면 이해하기 쉽다. 이러한 조준기를 섬광결정 전면에 부착하면 스캔 부위에서 방출된 감마선 중 조준기 구멍을 통과한 감마선들만 섬광결정과 반응하게 되고 나머지는 조준기에 의해 흡수되어 우리가 원하는 방향으로 입사된 감마선만을 검출할 수 있다.

 

조준기 구멍과 구멍사이의 벽을 격벽(septa)이라 하는데 입사된 대부분의 감마선은 이 격벽에 의해서 흡수되고 매우 제한된 양의 감마선만이 저준기 구멍을 통과여 섬광결정에 도달할 수 있다. 따라서 이러한 기계적 조준기는 단일광자영상의 민감도를 떨어뜨리는 요인이 된다. 즉, 기계적 접속 기법을 사용함으로써 민감도를 희생하여 감마선의 방향서을 조절하는 것이다.

 

나) 종류

조준기는 격벽의 배열 형태에 따라 다음과 같이 분류한다.

1. 평행구멍조준기(parallel-hole collimator)
2. 바늘구멍조준기(pinhole collimator)
3. 집속형조준기(converging collimator)
4. 확산형조준기(diverging collimator)
5. 부채살조준기(fan beam)

① 평행구멍조준기(parallel-hole collimator)

평행구멍조준기는 격벽이 섬광결정과 직각으로 배열되어 있는 형태로 모든 구멍들이 서로에 대해 평행하게 배열되어 있다. 이상적으로 섬광결정이 최종 검출되는 투사상은 피사체와 동일한 형태 및 크기를 갖는다.

② 바늘구멍조준기(pinhole collimator)

바늘구멍조준기는 보통 하나의 구멍을 갖는 원뿔 형태의 조준기로 작은 피사체를 크게 확대하는 데 이용된다. 갑상선 영상에 널리 이용되고 있다.

③ 집속형조준기(converging collimator)

집속형조준기는 격벽이 피사체 뒤에 있는 초점을 향해 집속하는 형태를 갖는데 피사체에 비하여 확대된 투사상을 얻을 수 있어 영상을 얻을 수 있는 시야(field of view)는 평행구명조준기에 비하여 줄어드나 영상의 해상도가 향상된다.

④ 확산형조준기(diverging collimator)

확산형조준기는 집속형조준기와는 반대로 격벽이 조준기 뒤에 있는 초점에서부터 확산되는 형태로 배열되어 있다. 카메라보다 크기가 큰 피사체에 대한 영상을 얻을 때 사용할 수 있으나 해상도가 상대적으로 감소하는 단점이 있다.

⑤ 부채살조준기(fan beam)

이러한 기본 형태를 혼합한 조준기도 사용되는데 대표적인 것이 부채살(fan beam) 조준기다. 주로 뇌 SPECT 영상에서 사용되는 부채살 조준기는 한쪽 면은 격벽이 평행하게 배열되고 다른 면은 집속형조준기의 형태로 배열된 것이다. 확대된 횡단면상을 얻게 되므로 횡단면 해상도가 향상되는 특징이 있다.

 

감마선의 에너지에 따라 다른 조준기를 선택해야 하는데 저에너지 조준기를 사용하는 단일광자 방출 방사선동위원소에는 201Tl, 57Co, 99mTc, 123I 등이 있으며, 67Ga와 111In 영상에는 중에너지 조준기를, 131I에는 고에너지 조준기를 사용한다.

 

이처럼 감마카메라를 위한 다양한 조준기가 존재하고 실제로 사용하는 방사성동위원소의 종류, 검사의 특성에 따라 다양한 조준기가 사용된다.

 

나. 섬광결정

섬광결정은 조준기를 통과한 감마선의 진행을 중단시키고 그 에너지를 가시광선으로 바꾸어 주는 역하을 한다. 가장 널리 이용되는 섬광결정은 NaI에 약간의 Tl이 섞인 NaI (Tl)으로 핵의학 영상에서 가장 많이 사용되는 99mTc에서 방출되는 140 keV 에너지를 갖는 감마선에 대하여 높은 광자 생성도를 가진다.

 

다. 위치결정 및 신호처리

 

가) 2차원 위치 결정

섬광결정에서 생선된 가시광선은 광전자증배관에 의해서 전기적 신호로 변환되는데 섬광결정 판위에 수십 개의 원형 또는 육각형 광전자증배관을 배열하여 감마선의 검출 위치를 판별하게 된다.

 

나) 파고 분석기

감마카메라에서 모든 광전자증배관의 출력을 더하면 이는 섬광결정에 의해서 흡수된 감마선의 에너지와 비례한다. 하지만 감마카메라로 측정한 실제 에너지 스펙트럼은 많은 산란 성분을 포함하고 있다.

 

이와 같이 감마카메라의 에너지 스펙트럼 정보를 이용하여 산란 및 잡음을 배제하고 주 에너지를 갖는 감마선만을 기록하기 위한 장치가 파고 분석기(pulse height analyzer)이다.

 

(2) 시스템 특성

감마카메라 시스템의 물리적 특성을 나타내는 지표로는 에너지분해능(energy resolution), 공간분해능(spatial resolution), 민감도(sensitivity), 균일도(uniformity), 공간선형성(spatial linearity) 등이 있다. 감마 카메라의 특성은 카메라의 내인성 특성과 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(septal penetration)이 생겨 해상도의 저하를 가져온다.

 

조준기 구조뿐 아니라 피사체와 조준기 사이의 거리(b)도 조준기 특성에 영향을 준다. 즉, 거리가 멀어질수록 해상도가 감소하므로 가능한 피사체와 조준기를 가까이 하는 것이 공간해상도를 향상시키는 데 중요하다.

 

나. 균일도 및 공간선형성

균일한 방사능을 갖는 선원에 대해서 균일한 영상을 제공하는 것은 감마카메라가 반드시 갖추어야 할 기본적인 특성이다. 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. 

 

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, 특정 조준기를 장착하고 측정할 수 있는데, 조준기를 장착하지 않은 경우 99mTc 점선원을 감마카메라 유효시야 크기의 5배 정도 되는 거리에 떨어뜨려 놓고 측정하며, 조준기를 장착한 경우에는 99mTc이나 57Co 평면선원을 조준기 앞에 평행하게 놓고 측정한다.

 

(3) 시스템

일반 감마카메라 영상은 감마선에 대한 집적(integrated) 또는 중첩(superposition) 영상이므로 선원 분포의 깊이 정보는 알 수가 없는 2차원 영상이다. 따라서 선험적인 해부학적 지식에 따라 3차원적 위치를 판단하게 된다.

 

뼈 전신영상의 전면과 후면 영상을 보면, 전면영상은 몸의 앞쪽 구조를 주로 보여주며 후면영상은 뒤쪽 구조를 잘 보여주는 것을 알 수 있다. 앞서 서술한 바와 같이 일반 감마카메라 영상은 깊이에 대한 정보가 없음에도 불구하고 이러한 영상이 얻어지는 것은 감마선의 감쇠와 산란에 의한 영향 때문이다. 즉, 카메라와 거리가 먼 쪽에서 발생한 감마선은 카메라에 검출되기까지 인체 내에서 감쇠와 산란에 의해서 흡수되거나 방향이 바뀔 확률이 높으므로 카메라에 의해서 최종적으로 검출될 확률이 상대적으로 낮다. 따라서 카메라 표면과 가까운 곳의 선원분포에 더 가까운 영상이 얻어지게 된다.