양전자 방출 단층촬영

양전자 방출 단층촬영(positron emission tomography, PET)은 양전자 방출을 이용하여 생체 영상화를 구현하는 핵의학 검사 방법 중 하나이다. 양전자를 방출하는 방사성 동위원소(radioisotope)를 결합한 의약품을 체내에 주입한 후, 양전자 방출 단층 스캐너를 이용하여 이를 추적함으로써 체내 분포를 알아보는 방법이다.¹⁾

목차

양전자(positron)는 반전자(antielectron)라고도 불리며, 전자(electron)와 전하 켤레 대칭(charge conjugation) 관계에 있는 반물질 입자이다. 역사적으로는 1930년 자오중야오의 관측과 1932년 칼 데이비드 앤더슨(Carl David Anderson)의 우주선에서의 실험을 통한 발견 등이 있었다. 앤더슨은 1936년 노벨 물리학상을 수상하였다.

양전자는 방사선의 한 종류로서, 중성자가 부족해서 불안정한 carbon-11(@@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{11}C }@@NAMATH_INLINE@@), nitrogen-13(@@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{13}N }@@NAMATH_INLINE@@), oxygen-15(@@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{15}O }@@NAMATH_INLINE@@), fluorine-18(@@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{18}F }@@NAMATH_INLINE@@) 등이 붕괴할 때 방출된다. 이러한 원소들은 생체의 주요 구성 물질에 대부분 있는 원소들이기에 방사성 의약품으로서 비교적 폭넓게 응용이 가능하다.²⁾³⁾

양의 베타 붕괴(positive beta decay) 식에 의하면, 불안정한 핵 내에 있는 양성자(proton)가 중성자(neutron)로 바뀌면서 양전자(positron)와 전자 중성미자(ν_e: electron neutrino)를 방출한다.

Fluorine-18 핵의 붕괴과정에서 일어나는 양전자 방출과, 방출된 양전자와 주변 전자의 충돌에 의한 감마선 방출 모식도()

양전자 방출 단층촬영은, 붕괴시 양전자를 방출하는(양의 베타 붕괴) 방사성 동위원소를 이용한다. 양의 베타 붕괴를 하는 방사성 동위원소들은 일반적으로 짧은 반감기(half-life)를 가지므로 영상 촬영 직전에 사이클로트론(cyclotron)에서 생성한다. 인체에 투여된 동위원소는 체내에서 핵당 1개의 양전자를 방출하며 붕괴되고, 방출된 양전자는 근처의 전자(electron)와 쌍소멸(pair annihilation)하고, 전자의 정지질량에 해당하는 에너지(511 KeV)의 광자(감마선, gamma-ray) 두 개를 생성한다. 이때, 두 개의 감마선은 운동량 보존 법칙에 의해 서로 정반대 방향으로 진행하며, 이를 감마선-쌍(pairs of gamma rays)이라고 한다.

양전자 방출 단층촬영 장비는 영상을 얻고자 하는 대상의 주위를 둘러싼 다수의 감마선 검출기와 정반대 방향으로 발산되는 감마선-쌍의 광자 신호 동시성을 판별하는 회로로 구성된다. 검출기 중 정반대에 있는 검출기가 동시에 감마선을 감지하면, 이것은 그 두 검출기를 잇는 직선 위에서 양전자의 쌍소멸이 일어났다는 것을 의미하며, 이러한 정보를 컴퓨터가 계산하여 삼차원 입체 구조로 재구성한다.

단일 광자 방출 컴퓨터 단층촬영(single-photon emission computed tomography, SPECT)과는 달리 정 반대의 위치로 동시에 감지되는 감마선을 검출하기 때문에 방사선의 입사 방향을 한정하는 기기나 감지기 앞에 차폐체를 두지 않아도 된다. 따라서, 양전자 방출 단층촬영은 일반적으로 단일 광자 방출 컴퓨터 단층촬영보다 감도가 높다. 하지만, 활용할 수 있는 방사성 동위원소의 종류가 적고, 방사선 피폭이 있다는 단점이 있다.⁴⁾

사이클로트론(cyclotron)은 고주파의 전극과 자기장을 사용하여 입자를 나선 모양으로 가속시키는 입자 가속기 중의 하나이다. 1932년 어니스트 로렌스(Ernest Orlando Lawrence)가 버클리 캘리포니아 대학교(University of California, Berkeley, UC 버클리)에서 만든 이후, 다양한 화학적/입자적 분석 및 질병 치료, 양전자 방출 동위원소 생산 등에 활용되고 있다.⁵⁾

양전자 방출 단층촬영 기기 모식도()

양전자 방출 방사성 동위원소로 가장 널리 쓰이고 있는 것은 자연계에 널리 존재하는 탄소, 질소, 산소, 플루오린 등 원소에서 중성자가 부족하여 불안정하고 반감기가 짧은 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^11C }@@NAMATH_INLINE@@ (20.4분), @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^13N }@@NAMATH_INLINE@@ (10분), @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^15O }@@NAMATH_INLINE@@ (2.1분), @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^18F }@@NAMATH_INLINE@@ (110분)등의 동위원소이다. 특히, 탄소, 질소, 산소는 아미노산이나 포도당, 물, 산소 등 생체에 중요한 물질을 구성하는 기본적인 원소이므로 이들의 동위원소인 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^11C }@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^13N }@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^15O }@@NAMATH_INLINE@@를 사용하여 방사성 의약품을 만들면, 생화학적인 대사정보를 양전자 방출 단층촬영으로 알아낼 수 있다. 그리고 대사물질의 특정 위치에 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^18F }@@NAMATH_INLINE@@로 치환시킨 물질도 양전자 방출 단층촬영에 유용한 조영제가 될 수 있다. 예를 들어, 현재 암 및 뇌 영상화에 활발히 사용되는 양전자 방출 단층촬영 조영제 중, 18F-FDG(2-deoxy-2-fluoro-D-glucose)가 있는데, 이는 포도당(glucose)에 방사성 동위원소 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^18F }@@NAMATH_INLINE@@이 부착된 형태이다. 18F-FDG는, 생체 내에 주입되었을 때 포도닫을 에너지원으로 많이 흡수하는 특성을 가진 암 조직이나 뇌 조직에 특이적인 영상을 제공한다. 이러한 특징때문에 일반적인 대부분의 암 진단에 활용이 가능하며, 알츠하이머병(Alzheimer's disease, AD)과 같이 신경계통 질병의 진단에도 활용되고 있다. 현재 양전자 방출 단층촬영에 사용되는 의약품은 500여 종류가 넘으나, 주로 많이 이용되는 대표적인 방사성 동위원소 및 방사성 의약품은 수십 종으로 국한된다. 양전자 방출 방사선 동위원소 조영제는 방사성 동위원소가 부착되는 의약품의 특성에 따라 당대사, 아미노산 대사, 도파민 수용체 추적, 혈류 분석, 산소대사 분석 등 다양한 형태로 활용이 가능하다. 최근에는, 특정 질병의 인자(바이오마커, biomarker)를 선택적으로 감지하는 의약품에 방사성 동위원소가 부착된 양전자 방출 단층촬영 조영제가 개발되어 임상학적으로 사용되고 있다. 예를 들어, 알츠하이머병의 주요 질병인자인 아밀로이드-베타(amyloid-beta) 플라크(plaque)에 선택적으로 결합하는 특성을 가진 PiB(Pittsburgh compound B)라는 조영제는 정상인과 대비해 알츠하이머병 환자의 뇌에서 밝은 영상을 제공함으로써, 질병의 진단에 편의성을 제공하였다.⁴⁾⁶⁾

양전자 방출 단층촬영을 이용하여 촬영된 알츠하이머병 환자 및 일반인의 뇌()

양전자 방출 단층촬영은 인체의 대사 상태를 촬영할 수 있다는 점에서 큰 장점을 가진다. 특히 포도당 유사체를 이용해 포도당 대사와 관계된 종양, 간질, 알츠하이머병, 염증성 질환등을 진단하는데 유용하다. 하지만, 해부학적 위치에 대한 정확한 정보를 제공하는 것에 한계를 가지므로 질병의 오진 확률 역시 높다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 최근에는 양전자 방출 단층촬영과 컴퓨터 단층촬영(computed tomography, CT)을 동시에 촬영하는 PET-CT 기술을 통해 해부학적 정보를 동시에 얻는다. 방사선 피폭의 측면에서, PET-CT는 1회 촬영으로 약 10~25 mSv의 방사선량에 노출되는데, 이는 1년 동안 한 사람이 일상 생활에서 받는 자연방사선량인 3 mSv의 3~8배 수준으로 높다는 단점을 가진다.⁷⁾⁸⁾

양전자 방출 단층촬영 및 컴퓨터 단층촬영 동시 영상(PET-CT) 결과(A: CT, B: PET, C: Merged()

1. Bailey, D.L; D.W. Townsend; P.E. Valk; M.N. Maisey. Positron-Emission Tomography: Basic Sciences. Secaucus, NJ: Springer-Verlag. 2015, ISBN 978-1-85233-798-8.
2. 양전자(positron), 과학백과사전, 사이언스올,
3. 양전자단층촬영, 대한핵의학기술학회,
4. PET: 생체기능을 측정하는 영상기기, 김종호 외 2인,
5. Alonso, M.; Finn, E., Physics, Addison Wesley, 1996
6. Vlassenko, A.G.; Benzinger, T.L.; Morris, J.C., PET amyloid-beta imaging in preclinical Alzheimer's disease, Biochim. Biophys. Acta, 2012, 1822(3), 370-379.
7. Brady, Z.; Taylor, M.L.; Haynes, M.; Whitaker, M.; Mullen, A.; Clews, L.; Partridge, M.; Hicks, R.JK.; Trapp, J.V., The clinical application of PET/CT, Australas Phys. Eng. Sci. Med. 2008, 31(2), 90-109.
8. PET-CT 검사, 연간 자연방사선 노출량의 3~8배, 연합뉴스,