영상기반 흡수선량 평가

1) 개요

→ 영상을 얻을 수 있는 치료용 방사성동위원소

131I는 치료용 베타선 외에도 영상이 가능한 감마선을 방출하기 때문에 131I영상은 치료 경과 관찰에도 많이 이용된다.

131I외에도 90Y, 177Lu, 186Ho, 188Re,67Cu 등이 치료와 함께 영상을 얻을 수 있는 치료용 방사성동위원소들이다.

영상용 방사선을 방출하지 않는 치료용 방사성동위원소들의 경우에는 대리 방사성동위원소를 이용하여 치료용 방사성의약품의 분포를 영상화 할 수 있다.

 

→ 영상을 이용한 흡수선량 평가는 환자개인별 맞춤형 선량계산이 가능하다. 

인체 표준팬텀을 이용한 방법은 몬테카를로 전산실험을 통해 구한 S-value를 이용하여 각 장기 단위의 평균 흡수선량을 계산하기 때문에, 환자 개인별 흡수선량의 정확도도 제한적이다. 하지만, 이 방법은 평면감마 영상을 이용할 수 있고, 흡수선량 계산에 쉽게 사용할 수 있는 소프트웨어들도 보급되어 있어 임상에서 많이 사용되고 있다.

SPECT와 PET과 같은 단층영상은 체적소(voxel) 단위의 방사능 분포를 표현할 수 있어 3차원 흡수선량분포의 계산에 유리하며, 환자의 핵의학단층영상과 CT 영상을 이용하면 개인별 맞춤형 흡수선량 계산도 가능하다. 

 

→ 3차원 흡수선량 평가에는 몬테카를로 전산실험을 이용한 방법이 표준적인 방법으로 가장 정확하다. 하지만 선량계산 과정에 체내 조직읜 비균일성, 하전입자의 수송, 모든 선원장기로부터의 방사선 에너지 칩적 등과 같은 다양한 요인들이 고려되어 반영되기 때문에, 컴퓨터의 계산량이 상당히 많고, 긴 계산시간이 필요하다.

다른 3차원 선량계산 방법으로 dose point kernel (DPK) 중첩적분(convlution)법과 voxel S-value (VSV)법이 있다.

DPK는 무한히 넓은 균일한 매질 내에 있는 등방성의 점선원 주위에 방사형의 흡수선량의 분포형태를 의미하는데, DPK를 방사능농도 분포 데이터, 즉 핵의학영상에 중첩적분하여 흡수선량을 얻는다. 이 방법은 다양한 경우에 해당하는 DPK를 미리 계산해 둘 수 있어서 실제 3차원 영상을 이용한 흡수선량 계산에 필요한 시간을 상당히 단축할 수 있다.

VSV 방법은 핵의한 단층영상의 각 체적소에 대응하는 S-value를 얻고, 3차원 방사능분포영상에 적용하여 흡수선량을 얻는다. 저에너지 침적 방법을 이용하면, 베타선 방출 방사성동위원소의 경우에서 3차원 흡수선량 계산을 더 쉽게 할 수 있고, 선량계산 과정에서 번짐 현상을 줄일 수 있어 흡수선량의 정확도를 높일 수 있다.

 

2) 평면감마영상

→ 많은 양의 치료용 방사성의약품을 투여하는 핵의학 치료에서 후향적으로 내부흡수선량을 평가하는 경우가 있다. 영상용 감마선을 방출하는 치료용 방사성의약품을 이용하는 경우 투여 직후에 체내의 방사성의약품의 양과 분포를 감마카메라 영상으로 얻을 수 있는데, 이때 장비의 불응시간으로 인해 실제보다 적게 계측된 왜곡된 영상을 얻게 된다. 따라서 고용량의 방사성의약품을 이용한 치료과정에서 적절한 흡수선량 평가를 위해서는 불응시간에 의한 감마카메라 계수능의 과소평가를 보정해야 한다.

불응시간 보정을 위해서는 사전 물리적 실험을 통해 장비의 불응시간을 측정하여 보정에 이용할 수 있고, 환자 영상을 획득할 때 방사능량을 알고 있는 표준 선원을 영사의 촬영시야 내에 놓고 함께 영상을 얻어 해당 영상의 불응시간에 의한 계수 편차를 보정할 수 있다.

 

3) SPECT 영상

→ SPECT/CT는 PET/CT와 같이 CT 영상을 감쇠지도로 변환하여 정량적인 영상 재구성에 이용한다.

511 keV의 에너지를 갖는 감마선만 이용하는 PET과 다르게 SPECT는 사용하는 방사성동위원소의 종류가 다양하고, 사용하는 방사성동위원소에 따라 감마선의 에너지가 각각 다르기 때문에, 영상에 이용하는 감마선의 감쇠 정도에 적합한 감쇠계수를 이용해야 한다.

 

→ 진단영상용 방사성동위원소는 하나의 에너지 절정(energy peak) 정보를 이용하는 경우가 많다.

하지만 핵의학 치료에서 사용하는 131I, 177Lu, 111In과 같은 방사성동위원소들은 영상이 가능한 두 개 이상의 감마선 에너지 절정을 갖는다. 131I은 세 개의 다른 에저니(364 keV, 637 keV, 723 keV)를 갖는 감마선들을 방출하는, 이와 같이 감마선의 양이 다른 에너지의 감마선들에 비해 월등히 많거나, 영상 획득에 사용하지 않는 감마선의 에너지가 영상 획득에 사용할 감마선의 에너지에 비해 매우 높을 경우 낮은 에너지를 갖는 감마선만을 영상에 이용할 수 있다.

하지만 177Lu와 같이 두 개의 에너지가 다른 감마선의 양이 비슷할 경우에는 하나의 감마선만 이용하는 것은 촬영 과정에서 계수량의 손실이 많아지므로 두 감마선들을 모두 이용하는 것이 영상의 품질 확보에 유리하다.

 

→ SPECT의 산란보정법에는 영상재구성 전에 투사데이터에서 산란성분을 제거한 후 단층영상을 재구성하거나, 영상재구성 과정에 산란보정을 포함하는 방법이 있다.

영상재구성 전에 산란성분을 제거하는 방법 중에서 많이 사용하는 방법으로 에너지창(energy window) 기반의 방법이 많이 이용된다.

 

→ 고에너지의 감마선을 방출하는 치료용 방사성동위원소를 이용할 경우에는 고에너지 감마선의 조준기 격벽 투과(septal penetration) 현상이 영상에 중요한 영향을 미친다.

131I는 364 keV의 감마선을 영상에 이용하며 고에너지용 조준기를 사용하지만, 364 keV를 중심으로 20%의 에너지창 폭의 설정을 이용하여 획득한 영상에는 600 keV 이상의 감마선의 격벽투과성분이 약 20%가량 포함되고, 고에너지 감마선의 산란성분들의 흘러넘침(spillover)에 의한 계수성분이 약 30%이다. 따라서 131I 영상은 획득한 영상계수의 약 50%가량이 영사의 공간분해능과 대조도를 낮추는 원인이 되므로, 이러한 성분들은 획득 후에 제거하거나 획득 시 억제하는 것이 좋다.

 

→ 90Y과 같은 순수 베타선 방출 방사성동위원소는 영상에 필요한 감마선을 방출하지 않기 때문에 핵의학 치료에는 필요한 영상을 대리 방사성동위원소들을 이용해 얻는다.

하지만 90Y의 고에너지 베타선(전자)이 주변 조직세포 내에서 상호작용하여 방출하는 2차 방사선인 제동복사선들을 영상에 이용할 수 있다. 

 

5) PET 영상

→ PET 영상은 SPECT 영상에 비해 공간분해능과 신호검출 민감도가 좋아 영상의 신호대잡음비가 우수하고, SPECT 영상에 비해 감쇠보정과 산란보정이 일찍이 적용되어 활용되었기 때문에 핵의학에서 영상기반의 정량적 평가에는 PET 영상이 많이 이용된다.

최근 감마선의 반응깊이(depth of interacton) 또는 비행시간(time of flight, TOF) 등의 정보를 더 정확히 측정할 수 있는 PET 검출 기술들이 개발되어 PET 영상을 이용하여 표적부위의 더 세밀한 정량평가가 가능할 것으로 기대되고 있다.

 

→ 핵의학 치료에 필요한 PET 영상 획득에 사용할 수 있는 방사성동위원소에는 124I, 86Y, 68Ga, 89Zr 등이 있다. 이들 방사성동위원소들은 131I, 90Y, 177Lu과 같은 치료용 방사성동위원소의 대리방사성동위원소로 이용할 수 있기 때문에 PET 영상에 필요한 양전자를 방출하지만, 18F에 비해 영상 획득에 불리한 물리적 특성(긴 양전자의 비정거리)들을 갖고 있다.

 

→ 치료용 방사성동위원소들은 긴 물리적 반감기를 갖기 때문에, 이들 방사성동위원소에 대응하는 대리 방사성동위원소들도 물리적 반감기가 긴 방사성동위원소가 선호된다.

64Cu(Tp = 12.7시간), 124I(Tp = 4.18일), 86Y(Tp = 14.7시간) 등이 비교적 긴 물리적 반감기를 갖는 PET용 대리 방사성동위원소들이다.

이들 중에서 124I와 86Y은 양전자 방출만이 아니라 높은 에너지를 갖는 즉발 감마선(prompt gamma) 방출 및 gamma-gamma casade 등의 특징을 함께 갖고 있다. 이렇게 동시계수 과정에서 쌍생성된 감마선과 함께 획득된 즉발감마선의 성분을 즉발감마선 동시계수(prompt gamma coincidence, PGC)라고 하는데, 이 PGC 성분은 쌍생성 감마선의 산란성분과 함께 영상의 배후방사능을 더욱 증가시켜, 영상의 대조도를 떨어뜨리는 중요한 요인이 된다.

 

→ 90Y의 직접적인 영상은 제동방사선을 이용한 감마카메라 또는 SPECT으로 얻을 수 있다.

하지만 90Y는 내부 쌍생성에 의해 매우 작은 양의 양전자도 함께 방출하기 때문에, PET 영상도 가능하다. 90Y의 PET 영상은 제동방사선을 이용한 SPECT 영상보다 영상의 공간분해능과 영상의 대조도가 좋아 종양부위의 선명한 구분이 가능하고 방사능량의 정량측정이 가능하다.