양전자단층촬영(PET)
1) 서론
PET은 생체의 기능을 평가하는데 가장 적합하고 종양 분야에서 그 활용도가 매우 높지만, 영상의 해상도가 상대적으로 낮고 해부학적 위치와 주변조직과의 관계를 평가하기 어려운 단점이 있어서, PET 영상으로 해부학적 상세 정보를 구분하기는 어렵다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 SPECT/CT와 마찬가지로 PET과 CT를 결합한 융합형 PET/CT가 개발되어 현재 활발하게 사용되고 있다.
2) 기본원리
(1) 기본개념
PET은 원자핵 내의 양성자 수에 비해 중성자 수가 상대적으로 적어 불안정한 동위원소인 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 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 정량화하는데 활용되고 있다.
(2) PET용 방사성동위원소 및 방사성추적자
PET 영상을 위하여 가장 널리 쓰이는 방사성추적자는 18F을 포도당 유사체에 표지한[18F]FDG로 포도당 대사 이상에 대한 정보를 제공하여 악성 종양, 간질, 알츠하이머 치매를 비롯한 각종 질환진단에 활용되고 있다.
현재 가장 널리 사용되는 PET용 방사성도위원소들인 18F, 11C, 13N 등은 반감기가 짧은 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.
(3) 양전자방출 및 PET 물리
PET의 기본원리는 그다지 복잡하지 않으나 PET 시스템 및 영상의 특성을 이해하기 위해서는 이들에 영향을 주는 여러 물리적 요소들에 대한 지식이 필요하다. 이러한 물리적 요소들에는 양전자의 비정거리, 감마선 쌍의 비직선 소멸, 광자와 물질의 상호작용에 의한 산란 및 광전흡수 등이 있다.
가. 비정거리(Positron Range)
원자핵에서 방출된 양전자는 초기의 높은 운동에너지 때문에 주변의 전자와 바로 결합하지 못하고, 상당 거리를 비행하며 주변 원자들과의 상호작용을 통하여 점차로 운동에너지를 잃게 된다. 이러한 양전자가 대부분의 운동에너지를 잃어 거의 정지 상태에 도달했을 떄 비로소 전자와 만나 쌍소멸이 일어나게 되는데, 이처럼 양전자가 원자핵에서 방출되어 궤도전자를 만나 쌍소멸이 일어날 때까지 비행한 수직거리를 비정거리라 한다.
이러한 비정거리는 양전자가 방출된 위치와 감마선이 생선된 위치 간의 차이를 의미한다. 또한 양전자가 원자핵에서 방출될 때 에너지를 중성미자와 나누어 가지므로 양전자의 에너지가 일정하지 않고, 계속해서 방향을 바꾸며 이동하므로 비정거리를 정확한 예측이 불가능하다. 따라서 비정거리는 PET 영상의 공간해상도를 제한하는 가장 근본적인 요소라 할 수 있다.
초기에 갖는 운동에너지가 높을수록 양전자는 멀리 비행할 수 있으므로 초기 에너지가 높을수록 비정거리는 길어진다.
나. 비직선 소멸(Non-Collinear Annihilation)
PET의 해상도 저하를 가져오는 또 다른 물리적 요인에는 비직선 소멸에 의한 불확실성이 있다. 이는 양전자와 전자가 결합하는 순간 두 입자가 완전히 정지된 상태가 아니르모 운동량의 합이 정확히 0이 아니어서 발생하는 현상으로 두 감마선이 180˚로부터 ±0.25˚ 정도의 불확실성을 가지고 방출되는 현상을 의미한다.
따라서 이러한 비직선 소멸에 의한 해상도 저하 요인을 최소화하기 위해서는 PET 링의 지름을 최대한 작게 해야 함을 알 수 있다. 그러나 PET 링의 지름이 작아지면 뒤에 설명할 시차 오류에 의한 주변부 시야의 해상도가 저하되므로 이를 유의하여야 한다.
다. 감마선의 비행시간
동시에 발생한 두 511 keV 감마선은 빛의 속도로 미행하여 PET 시스템에 의해서 검출된다. 이때 두 감마선이 발생하여 검출될 떄까지 비행한 시간을 TOF(time of flight)라 하는데, 두 검출기에서 측정된 TOF 시간 차이와 빛의 속도를 곱하면 LOR상에서 감마선 쌍의 발생 위치를 추정할 수 있다. 그러나 PET 검출기는 제한된 시간분해능을 가지므로 정확한 위치는 알 수 없지만, 대략적인 발생 위치를 추정하여 PET 영상의 특성을 향상시키는데 활용할 수 있다.
라. 참, 산란, 랜덤, 다중 계수
PET에서 검출되는 동시계수는 4종류로 나눌 수 있다. 이는 각각 참계수, 산란계수, 랜덤계수, 다중계수이다.
- 참계수(True cone) : 참계수란 실제로 동시에 발생한 두 개의 511 keV 감마선이 감쇠(attenuation), 산란 등의 아무런 물리적 영향을 받지 않고 온전하게 검출되는 경우를 의미한다.
- 산란계수(Scatterd count) : 컴프턴 산란에 의해서 감마선 방향이 바뀌는 경우 LOR의 검출 위치가 달라진다. 이러한 산란계수는 재구성된 PET 영상의 배경 잡음을 증가시켜 대조도를 감소시킨다. PET에서는 두 감마선 중 하나만 산란을 일으켜도 LOR의 위치가 달라지므로 산란에 의한 영향이 단일광자영상보다 크다. 또한 산란각이 큰 경우 실제 물체가 존재하지 않는 배경 부분에서도 LOR이 발생한 것으로 인식될 수 있다.
- 랜덤계수(Random count) : 우연히 두 단일계수가 검출되어 동시계수로 보이는 경우를 랜덤계수라 한다. 이러한 랜덤계수 역시 영상 전체에 걸친 배경 잡음을 증가시킨다.
- 다중계수(Multiple count) : 다중계수는 서로 다른 LOR 2개 이상이 동시계수 시간창 내 검출되는 것으로 가능한 LOR의 개수가 많아져 정확한 LOR을 판별할 수 없는 문제가 있다. 랜덤계수와 다중계수 모두 시간창이 길수록 방사능이 높을수록 증가하는 특성을 가지고 있다.
3) PET 및 PET/CT 시스템
(3) 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.
(4) PET/MRI
MRI는 PET나 SPECT가 제공하는 기능 및 생리적 정보와 CT가 지닌 우수한 공간 해상도의 장점을 고루 갖춘 영상 진단기기로서 CT에 비해서 MRI가 갖는 여러 장점들(다양한 생화학적 특성의 영상을 얻을 수 있고, 방사선피폭이 없으며 연조직 대조도가 높은 점 등)과 전신 MRI의 빠른 발전 등에 힘입어 임상용 PET/MRI 기술이 개발되었다. 그러나 PET에서 전통적으로 사용되고 있는 광전자증배관은 자장에 매우 민감하여 PET을 MRI와 결합하는 것은 PET/CT보다 어려운 문제이다. 광전자증배관을 자장 영향이 없는 MRI실 외부에 설치하고, 섬광결정에서 발생한 가시광선을 광섬유를 이용하여 광전자증배관에 전달해 주는 방법과 자장의 영향을 받지 않는 반도체 광전소자를 이용하는 방법 등이 일체형 PET/MRI 개발을 위한 연구가 활발히 이루어졌다.
임상용 PET/MRI 시스템으로는 1) 광전자증배관을 이용한 PET과 MRI를 같은 촬영실 안에 분리하여 설치하고 두 스캐너 사이를 셔틀 베드가 이동하는 방식과 2) APD나 SiPM과 같은 반도체 광다이오드 기반의 PET을 MRI 내부에 설치하여 두 영상을 동시에 얻는 방식이 사용되고 있다.
4) 데이터 획득
(2) 방출 및 투과스캔
PET 스캔 모드는 체내에서 방출되는 감마선을 검출하는 방출스캔과 외부선원을 이용하여 감쇠계수를 얻기 위한 투과스캔으로 분류할 수 있다.
가. 방출스캔(Emission Scan)
몸속에 주입된 방사성추적자에서 발생한 감마선을 검출하는 방출스캔은 가장 기본적인 PET 스캔으로 방사성추적자의 시공간적 분포에 대한 정보를 제공한다.
충분한 감마선 계수를 얻기 위하여 수 분에서 수십 분의 방출스캔을 시행한다. 고정된 위치에서 정적, 동적, 게이트 스캔을 시행하기도 하며, 5~10 베드에 걸친 전신 스캔을 시행하기도 한다.
나. 투과스캔(Transmission Scan)의 필요성
방출 스캔에서 얻은 원 데이터를 바로 재구성해 보면 감마선의 감쇠 및 산란, 검출 효율의 불균일성 등에 이해서 실제 감마선원의 분포와는 상당히 차이가 난다. 이러한 차이를 보정하기 위해서는 여러 보정 알고리즘의 적용이 필요한데 이 중 감쇠와 산란에 대한 보정을 위해서는 511 keV 감마선에 대하 감쇠계수에 대한 분포를 알아야 한다. 이러한 감쇠계수 분포는 PET/CT의 경우 X-선 CT 영상으로부터 추정할 수 있으며, CT가 없는 경우 외부 감마선원을 이용한 투과스캔과 공백 스캔의 비를 통해서 알 수 있다.
다. 양전자방출선원을 이용한 투과스캔
외부감마선원으로는 회전하는 막대선원을 사용하는 것이 보편적인 방법으로 양전자방출선원인 68Ga/68Ge을 사용하거나 에너지가 511 keV와 유사한 단일광자 선원인 137Cs(662 keV)을 사용하는 경우가 있다. 68Ga/68Ge 선원은 511 keV 감마선에 대한 감쇠계수 분포를 직접적으로 얻을 수 있는 장점이 있다.
반면 반감기가 270일로 짧아 선원을 주기적으로 교체해 주어야 하며, 선원에 인접한 검출기에 많은 감마선이 조사되어 분응시간 에러를 일으키므로 사용할 수 있는 방사능에 한계가 있다.
라. 단일광자선원을 이용한 투과스캔
137Cs을 이용한 단일광자 스캔은 하나의 검출기에서만 감마선이 검출되므로 이미 알고 있는 선원의 위치와 감마선 검출 위치를 연결하여 LOR 정보를 얻는 방식을 사용한다. 선원과 검출기 사이를 차폐하여 사용할 수 있으므로 높은 방사능의 선원을 사용할 수 있고, 높은 에너지로 인체에 대한 투과력이 좋아 검출 효율이 높고 반감기가 매우 길어(30.1년) 반영구적으로 사용할 수 잇는 장점이 있다. 반면 에너지 차이에 의한 감쇠계수 차이를 보정하여 사용하여야 한다.
PET/CT에서 X-선 CT로 PET 감쇠보정을 하는 경우 별도의 감마선원을 이용한 방출스캔은 생략한다.
6) 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 불리적 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.
(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 섬광결정 내에서 일어나기도 하는데, 두 경우 모두 감마선이 산란을 일으키며 에너지를 잃고 잃어버린 에너지가 산란각과 일정한 관계를 갖는 컴프턴 산란이 주를 이룬다.
피사체 내에서 산란이 일어나면 잘못된 LOR 위치 정보를 제공하므로 산란보정의 주요한 대상이 된다. 섬광결정 내에서 산란이 일어나는 경우 첫 번째 산란 위치에서 대부분의 에너지를 잃어버리거나, 에너지를 일부만 잃어버렸지만 동일한 섬광결정 내에서 계속적인 산란이나 광전흡수에 의해서 대부분의 에너지를 잃어버리면 올바른 LOR 검출이 가능하다.
반면 섬광결정 내에서 산란된 감마선이 해당 섬광결정을 벗어나 다른 섬광결정에서 추가적인 산란을 일으키거나 흡수되는 경우를 'inter-crystal scattering'이라 하는데, 이 경우 흡수된 에너지를 가중치로 하는 보간법에 의해서 감마선 검출 위치를 결정하는 PET 위치결정 회로의 특성상 정확한 검출 위치 추정이 어려우며 LOR 위치 오류를 일으켜 이 역시 보정의 대상이 된다.
(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 감쇠보정은 필수적이다.
나. 감마선원을 이용한 감쇠보정
양전자 방출선원인 68Ga/68Ge이나 단일광자 선원인 137Cs을 사용한 투과스캔을 통해서 직접적인 감쇠보정이 가능하다.
방사성추적자를 주입하기 전에 투과스캔을 하는 것이 가장 정확하나, 방출스캔 후에 또는 방출스캔과 동시에 투과스캔을 얻으면 전체 검사 시간을 단축할 수 있다.
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 투과영상에 비해서 CT 영상의 잡음 특성이 훨씬 좋으므로 보정된 방출 PET의 질도 보다 우수하다.
반면 CT와 PET의 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.