단일 광자 방출 컴퓨터 단층촬영

단일 광자 방출 컴퓨터 단층촬영 (single-photon emission computed tomography, SPECT)은 핵의학 영상법(nuclear medicine imaging)의 한 분야로서, 방사선 핵종(radioactive nuclide)을 함유하는 의약품, 즉 방사성의약품(radiopharmaceuticals)을 사용하여 인체의 생리적, 병리적 상태를 관찰하는 기술이다.

방사성의약품은 단일광자(single-photon) 감마선(gamma-ray)를 방출하고, 감마 카메라(gamma camera) 및 감마 카운터(gamma counter)는 이를 관측한다. SPECT는 평면 영상에 더해 단층 영상을 얻음으로써 관찰하고자 하는 특정 부위에 대해 정확히 평가할 수 있는 정보를 제공한다.

핵의학검사에서 사용되는 기술로는 SPECT 외에 양전자 방출 단층촬영 (positron emission tomography, PET)가 있다. 사용 목적에 따라, 해당하는 감마선 방출 특성의 방사성 의약품을 환자에게 투여한 후 감마카메라를 인체 주위로 회전시키며 여러 방향의 2차원 투사상을 얻고, 이를 컴퓨터를 통해 변환함으로써 3차원 영상 재구성을 하며, 컴퓨터 단층촬영(computed tomography, CT)과 마찬가지로 체내 단층영상(tomogram)을 얻을 수 있다.¹⁾

목차

방사선은 방사선 원소의 붕괴에서 방출되는 입자 또는 파동이 매질을 통해 전파하는 과정으로써 에너지의 흐름이다. 방사선은 크게 전리 방사선(ionizing radiation, 이온화 방사선)과 비전리 방사선 (non-ionizing radiation, 비이온화 방사선)으로 나뉘며, 전리 방사선의 종류에는 알파선(alpha-ray), 베타선(beta-ray), 감마선(gamma-ray), 중성자선, 엑스선 등이 있다. 이중, 감마선은 세 종류의 전리 방사선 중 투과력이 가장 강하며 파장이 짧고 에너지가 높다. ²⁾

SPECT는 생체 내에 단일 광자 감마선을 방출하는 방사선 의약품을 주입하여, 생체 내에서 발생한 감마선이 생체를 투과한 것을 생체 주위에 설치한 섬광 카메라(검출기)로 여러 각도에서 측정하여 단일광자 방출 핵종의 체내 분포를 컴퓨터로 연산 처리하여 영상으로 재구성함을 원리로 한다.

방출되는 감마선의 각도는 위치 정보를 파악하는데 매우 중요하며, 이는 조준기라는 장비를 이용하여 측정한다. 조준기를 통해 검출된 감마선은 섬광체라는 장비를 통해 가시 광선으로 신호가 변경되고, 이는 다시 광전자증배관(photomultiplier tube, PMT)을 통해 전기적 신호로 변경 및 증폭된다. 이렇게 변형된 전기적 신호는 컴퓨터 전환 과정을 통해 삼차원적 입체구조를 제공한다.³⁾⁴⁾

단일 광자 방출 컴퓨터 단층촬영에서는, 특정 방사성 동위원소(Tc, I, 등)에서 무작위로 발산되는 비교적 낮은 에너지(50-200 keV)의 광자를 감지하여 영상화하는 기술이며, 이와 유사한 원리를 이용하는 양전자 방출 단층 촬영(Positron emission tomography, PET)은 특정 방사선 동위원소(C, F, 등)에서 서로 반대 방향으로 발산되는 비교적 높은 에너지(511 keV)의 광자 두개를 동시에 감지함으로서 영상을 구현하는 기술이다.

방사선을 방출하는 동위원소(isotope)의 의학적 이용은 동위원소의 세기를 알아내거나 동위원소의 분포도를 영상화하는 기술과 역사를 함께 한다. 1950년 전까지는 주로 동위원소의 세기만을 측정하는 프로브(probe) 기기 들이 이용되었으나, 1951년 베네딕트 카센(Benedict Cassen) 등이 개발한 갑상선의 요오드 분포를 검사하는 이동형 스캐너(rectilinear scanner)가 사용되면서 SPECT는 의학의 역사에서 시작되었다.⁵⁾ 그후, 1958년 할 앵거(Hal O. Anger)에 의해 감마선 카메라라고도 알려진 섬광 카메라(scintillation camera, Anger camera)가 탄생되었고, 그 기본 개념은 오늘날까지 사용되고 있다.⁶⁾

1963년 데이비드 컬(David Kuhl)에 의해 방출 단층촬영 장치 개념이 소개되었으며, 후에 SPECT(단일 광자 방출 컴퓨터 단층촬영)와 PET(양전자 방출 단층촬영)으로 나뉘어 알려지게 된다. 오늘날과 같은 SPECT는 1976년 키스(W. I. Keys)에 의해 처음으로 개발되었고, 야스자크(R. J. Jaszczak)에 의해 뇌 전용 SPECT가 개발되었다. 1979년에는 최초로 다중헤드 SPECT가 개발되었으며, 그후 1995년 처음으로 ADAC사에서 양전자를 방출하는 플루데옥시글루코스(FDG, fludeoxyglucose)를 영상화 할 수 있는 동시 계수용 SPECT를 상업화하였다.⁷⁾

SPECT는 인체 내 기관의 기능을 검사하는 용도로 활용된다. SPECT에서는 감마선을 방출하는 동위원소가 표지된 방사성의약품을 사용한다. 방사성의약품은 검사 목적에 따라 촬영 직전 또는 촬영 일정 시간 전에 주사를 통해 인체로 주입된다. 기존의 단층촬영장치(computed tomography, CT) 또는 자기 공명 영상장치(magnetic resonance imaging, MRI)와 가장 큰 차이는 이들이 해부학적인 정보를 제공하는 반면에 SPECT는 기능적 정보를 제공한다는 것이다. SPECT의 응용 범위는 주로 뇌, 심장, 뼈 검사 등이 있다.⁸⁾

(1) 뇌관류 SPECT. 뇌 조직에 흡수되는 방사성의약품의 양을 혈류와 비교하여, 뇌 조직으로 공급되는 혈류량을 직접 평가하는 영상법이다. 뇌경색이나 모야모야병과 같은 뇌혈관 질환이 있을 때 그에 의해 발생하는 국소 뇌 관류의 이상을 평가하는데 활용된다. 이외에도 간질, 치매, 등과 같은 신경학적 질환이나 여러 정신과적 질환 등에서 동반되는 뇌기능 이상 평가에도 활용된다.

(2) 심근관류 SPECT. 협심증, 심근경색 등의 심혈관질환이나, 심장에 혈류를 공급하는 관상동맥 질환의 판단에 활용된다. 이러한 혈관 문제의 결과로서 발생하는 심장 근육의 혈류량 변화를 직접적으로 영상화하여 보여주는 방법인 심근관류 SPECT는 질병의 진단, 예후, 위험도 평가 등으로 다양하게 활용된다.

(3) 기타 SPECT. 뼈 SPECT, 신장 SPECT, 갑상선 SPECT 등이 있다.

70세 알츠하이머 환자의 뇌 SPECT 영상. 노란색-오렌지색 부분은 혈류량이 줄어든 부분이다. (출처: GettyimagesKorea)

SPECT에 활용되는 대표적인 방사성 동위원소의 종류는 다음와 같다.⁹⁾

(1) @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{99}_{m}Tc }@@NAMATH_INLINE@@(technetium): 1938년부터 사용되어, 뇌/갑상선/폐/간/비장/골수진단 등으로 활용이 가능하다. 반감기는 6시간이다.

(2) @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{123}I }@@NAMATH_INLINE@@(iodine): 뇌 SPECT용 방사선의약품으로, 반감기는 13.2시간이다. 갑상선암, 종양진단 등으로도 활용된다.

(3) @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{67}Ga }@@NAMATH_INLINE@@(gallium): 반감기는 약 78.3 시간이다. 두경부 종양이나 전이암 등의 영상에 활용된다.

이외에도 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{133}Xe }@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{131}I }@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{81}_{m}Kr }@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{111}In }@@NAMATH_INLINE@@ 등이 SPECT에 활용된다. 일반적으로 SPECT용 방사성의약품은 인체에 대한 중금속 독성을 줄이기 위하여 킬레이트(chelate) 리간드와 배위 결합을 이루고 있다.

1. Mariani G.; Bruselli L.; Kuwert T.; Kim E. E.; Flotats A.; Israel O.; Dondi M.; Watanabe N. 2010, 37(10), 1959-1985,
2. Radioation in Everyday Life, International Atomic Energy Agency.
3. Townsend, L. B. Chemistry of Nucleosides and Nucleotides, 1988, Springer,
4. David L. N.; Michael M. C. 2010, 생체 신호전달. 백형환; 윤경식; 김호식 외 15인 공역. 레닌저 생화학 5판. 월드사이언스. 423–429. ISBN 9788958811510
5. Blahd, W. H. Ben Cassen and the development of the rectilinear scanner, 1996, Elsevier,
6. Murayama, H.; Hasegawa, T. Hal Oscar Anger, D.Sc.(hon.)(1920-2005): a pioneer in nuclear medicine instrumentation, 2014, Springer,
7. Hutton, B. F. The origins of SPECT and SPECT/CT, 2014, Springer,
8. Khalil, M. M.; Tremoleda, J. L.; Bayomy, T. B.; Gsell, W. Molecular SPECT imaging: An Overview, 2011, Hindawi,
9. Gnanasegaran, G. Ballinger, J. R. Molecular imaging agents for SPECT(and SPECT/CT), 2014, Springer,