핵의학 영상(SPECT, PET)의 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 소별되며 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 통한 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 대사 영상 및 신경수용체 시스템 영상에 널리 쓰이는데 그 사용이 최근들어 급격히 증가하고 있다.

 

※ PET은 원자핵 내의 양성자 수에 비해 중성자 수가 상대적으로 적어 불안정한 방사성동위원소인 18F, 11C, 13N, 15O등을 이용하는 영상법이다.

이러한 방사성동위원소는 원자핵에서 하나의 양성자가 중성자로 변환되면서 양성자를 방출하고 안정된 상태가 된다. 이렇게 방출된 양성자는 일정거리를 비행한 후 주변의 전자와 만나 소멸되고, 511keV의 에너지를 갖는 두 개의 감마선을 방출하게 된다.

이때 두개의 감마선은 에너지와 운동량 보존법칙에 의하여 아주 적은 오차 범위 내에서 180˚의 반대방향으로 방출되며, 이들을 동시에 검출하여 감마선이 방출된 방향과 위치를 기록하는 것이 PET 장치이다.