단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영

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1. 개요
2. 원리
3. 응용
4. 장점 및 한계
- 4.1. 장점
- 4.2. 한계
5. 핵 기술 분야에서의 활용
6. 정도 관리
참조

1. 개요

단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영(SPECT)은 방사성 핵종에서 방출되는 감마선을 감지하여 신체의 3차원 영상을 생성하는 핵의학 기술이다. 감마 카메라로 여러 각도에서 획득한 2차원 투영 영상을 컴퓨터를 통해 재구성하여 3차원 데이터를 얻으며, 자기 공명 영상(MRI), X선 컴퓨터 단층 촬영(CT) 등 다른 단층 촬영 기술과 유사하게 신체의 단면을 볼 수 있다. SPECT는 PET(양전자 방출 단층 촬영)보다 저렴하며, 심근 관류 영상, 뇌 기능 영상, 종양 영상 등 다양한 질환의 진단에 활용된다. 핵연료 내 방사성 동위원소 분포를 영상화하는 등 핵 기술 분야에서도 활용된다.

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단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영
개요
이름	단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영
영어 명칭	Single-photon emission computed tomography (SPECT)
관련 항목	핵의학 단층 촬영 양전자 방출 단층 촬영(PET)
설명	핵의학 영상 기법
상세 정보
사용 목적	뇌, 심장, 폐, 뼈 등의 혈류 및 활동 평가 종양, 감염, 갑상선 기능 항진증 등의 진단
방사성 추적자	테크네튬-99m(Tc-99m) 요오드-123(I-123) 탈륨-201(Tl-201) 세슘-131(Cs-131)
작동 원리	방사성 추적자를 체내에 투여 감마 카메라로 방출되는 감마선 검출 컴퓨터를 사용하여 3차원 영상 재구성
장점	비교적 저렴한 비용 다양한 방사성 추적자 사용 가능 임상 적용 범위 넓음
단점	PET에 비해 해상도 낮음 방사선 노출

2. 원리

SPECT(단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영)는 감마선을 방출하는 방사성 동위원소를 이용하는 핵의학 영상 기술이다. 체내에 주입된 방사성의약품은 특정 장기나 조직에 축적되어 감마선을 방출하며, 감마 카메라가 이 감마선을 검출하여 3차원 영상을 생성한다.^[19]

일반적인 X선 촬영이 3차원 구조를 2차원으로 투영하여 영상을 얻는 것처럼, SPECT도 감마선 검출기로 평면 영상을 얻는다. 하지만 SPECT는 여러 각도에서 촬영된 2차원 영상(투영 영상)을 컴퓨터로 처리, 단층 촬영 재구성 알고리즘을 통해 3차원 데이터 세트를 구축한다. 이 데이터 세트를 조작하여 MRI, X선 CT, PET과 같이 신체의 임의 각도에서 얇게 슬라이스한 영상을 얻을 수 있다.^[26]

SPECT는 방사성 추적자로 감마선을 검출한다는 점은 PET와 유사하다. 그러나 PET는 방사성 동위원소의 베타 붕괴로 생성된 양전자와 주변 전자의 쌍소멸로 반대 방향으로 방출되는 한 쌍의 광자(감마선)를 검출하는 반면, SPECT는 방사성 동위원소에서 직접 방출되는 감마선을 계측한다. PET 스캐너는 동시 계측으로 더 많은 감마선 발생 위치 정보를 얻어 SPECT (약 1cm)보다 높은 해상도를 갖는다. 반면, SPECT는 수명이 길고 구하기 쉬운 방사성 동위원소를 사용해 PET보다 훨씬 저렴하다.^[19]

SPECT 검사는 평면 감마선 촬영과 매우 유사하여 동일한 방사성의약품을 사용할 수 있다. 따라서 다른 방사선 진단 후 결과가 불분명하면, 환자를 즉시 SPECT 시설로 이동하거나 촬영 장치를 SPECT용으로 개조하여 검사대에서 이동하지 않고도 SPECT 검사를 수행할 수 있다.

전신 골 스캔을 수행하는 SPECT 장비. 환자는 기계 안으로 미끄러져 들어가는 테이블에 누워 있고, 한 쌍의 감마 카메라가 환자 주위를 회전합니다.

2. 1. 방사성 의약품

SPECT에 사용되는 방사성 의약품은 감마선을 방출하는 방사성 동위원소와 특정 장기나 조직에 선택적으로 축적되는 운반체로 구성된다. 대표적인 방사성 동위원소로는 테크네튬-99m(Tc-99m), 요오드-123(I-123), 인듐-111(In-111) 등이 있으며, 반감기가 짧아 환자에게 안전하다.^[20]^[21] 방사성 의약품은 뇌 혈류, 심근 관류, 종양, 염증 등 특정 목적에 따라 선택된다.

일반적으로 뇌 기능 영상에서는 99m^영어 테크네튬 에키사메타짐(^99mTc-HMPAO, ^99mTc-헥사메틸프로필렌아민옥심)이 감마선 방사선 추적자로 사용된다. ^99mTc는 준안정 핵 이성체이며 감마선을 방출한다. ^99mTc가 HMPAO와 결합하여 킬레이트 화합물 ^99mTc-HMPAO가 되면 혈류를 타고 뇌 조직에 흡수된다. 흡수량은 뇌 혈류량에 비례하므로, 감마선량 측정을 통해 뇌 혈류량을 추정할 수 있다. 뇌 혈류는 뇌 각 부분의 국소적인 대사 및 에너지 소비와 밀접하게 관련되어 있기 때문에, ^99mTc-HMPAO 추적자는 (^99mTc-에틸렌디시스테인과 마찬가지로) 뇌의 국소적 대사를 평가하는 데 사용된다. 치매 연구에서 서로 다른 사례 비교 및 진단이 시도되고 있다.

여러 연구의 메타 분석에 따르면, ^99mTc-HMPAO에 의한 SPECT 검사의 알츠하이머병에 대한 민감도는 약 74%이다(지능 검사 등의 임상 검사의 민감도는 81%). 최근 보고에 따르면 SPECT에 의한 알츠하이머병 진단의 정확도는 88%로 알려져 있다.^[20] 다른 메타 분석에 따르면, 알츠하이머병과 뇌혈관성 치매의 식별력에서 SPECT(정확도 91%)는 임상 검사(동 70%)보다 우수하다고 보고되었다.^[21] 이는 뇌의 국소적인 대사 활동을 영상화하는 SPECT의 특성에 기인한다. 다발성 뇌경색에서는 피질의 대사 활동이 드문드문 손실되는 반면, 알츠하이머병에서는 후두부를 제외한 피질의 기능이 균일하거나 매끄럽게 손실되므로 SPECT로 명확하게 양자를 식별할 수 있다.^99mTc-HMPAO를 사용한 SPECT 검사와 경쟁하는 것은 플루오로데옥시글루코스(FDG)를 사용한 PET에 의한 뇌 영상 진단이다. PET의 경우, 포도당 대사로부터 뇌 각 부분의 상태를 평가하지만, 국소적인 뇌의 장애에 관해서는 SPECT와 매우 유사한 정보를 얻을 수 있다. 그러나 SPECT는 장수명의 다루기 쉬운 방사성 물질로부터 추적자를 만들 수 있다는 기술적 이유와, 추적자를 만들기 위한 비용과 촬영 장치의 가격도 SPECT가 훨씬 저렴하다는 경제적 이유로 PET보다 널리 사용되고 있다. ^99mTc는 비교적 쉽게 테크네튬-99m 제너레이터로 제조할 수 있으며, 병원이나 검사 센터에 매주 배송되어 갱신된다. 반면, FDG를 사용하는 PET에서는 FDG 합성을 위한 고가의 의료용 사이클로트론과 인접한 핫 랩(방사성 의약품 제조용 자동화된 화학 실험실)이 필요하며, ¹⁸F의 반감기가 110분으로 짧기 때문에, 직접적이고 신속하게 합성실에서 검사실로 FDG를 운반해야 한다.

2. 2. 감마 카메라

단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영(SPECT) 영상을 얻기 위해 감마 카메라가 환자 주위를 회전한다. 투영은 회전하는 동안 일정한 지점, 일반적으로 3~6도마다 얻어진다. 대부분의 경우 최적의 재구성을 위해 360도 회전이 사용된다. 각 투영을 얻는 데 걸리는 시간은 다양하지만 일반적으로 15~20초이다. 이렇게 하면 총 스캔 시간은 15~20분이 걸린다.^[19]

다중 헤드 감마 카메라는 획득 속도를 높일 수 있다. 예를 들어, 180도 간격으로 떨어진 헤드가 있는 듀얼 헤드 카메라를 사용하면 두 개의 투영을 동시에 얻을 수 있으며, 각 헤드에는 180도 회전이 필요하다. 120도 간격의 트리플 헤드 카메라도 사용된다.^[19]

2. 3. 영상 재구성

SPECT(단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영) 영상은 감마 카메라를 사용하여 여러 각도에서 얻은 다수의 2차원 영상(투영)을 컴퓨터로 처리하여 3차원 데이터 세트를 생성하는 방식으로 재구성된다. 단층 촬영 재구성 알고리즘이 적용되어, 자기 공명 영상(MRI), X선 컴퓨터 단층 촬영(X선 CT), 양전자 방출 단층 촬영(PET)과 같이 신체의 임의의 축을 따라 얇게 슬라이스한 영상을 얻을 수 있다.^[26]

일반적으로 재구성된 영상은 64×64 또는 128×128 픽셀 해상도를 가지며, 픽셀 크기는 3~6 mm이다. 획득된 투영 수는 결과 이미지의 너비와 거의 같도록 선택된다. 재구성된 이미지는 평면 영상보다 해상도가 낮고 노이즈가 많으며, 인공물의 영향을 받기 쉽다.

스캔 시간 동안 환자의 움직임은 재구성된 이미지 품질을 저하시키므로, 움직임 보상 재구성 기술이 사용되기도 한다. 방사성 의약품의 불균등한 분포는 인공물을 유발할 수 있다. 예를 들어, 방광과 같이 활동이 매우 강한 영역은 이미지에 줄무늬를 만들거나 주변 영역을 가릴 수 있다. 이는 필터링된 역투영 재구성 알고리즘의 한계이다. 반복 재구성은 인공물에 덜 민감하고 감쇠 및 깊이 의존적 흐림 현상을 보정할 수 있어 활용도가 높아지고 있는 알고리즘이다.^[12]

환자 내 감마선 감쇠는 깊은 조직의 활동을 과소평가하게 만들 수 있다. 활동의 상대적 위치를 기반으로 근사 보정이 가능하지만, 최신 SPECT 장비는 통합된 X선 CT 스캐너를 통해 얻은 조직 감쇠 맵을 SPECT 재구성에 통합하여 감쇠를 보정한다. 이를 통해 정확하게 등록된 CT 이미지를 제공하여 추가적인 해부학적 정보를 얻을 수 있다.

감마선의 산란과 무작위적인 특성은 SPECT 이미지 품질을 저하시키고 해상도 손실을 유발할 수 있다. 따라서 산란 보정 및 해상도 복구 기술이 SPECT 이미지 해상도 향상을 위해 적용된다.^[13]

3. 응용

SPECT는 종양, 감염 (백혈구) 영상, 갑상선 영상, 골 스캔 등 3차원 표현이 유용한 감마 영상 검사를 보완한다. 3차원 위치 정보를 정확하게 파악할 수 있어, 기능적 심장 또는 뇌 영상과 같이 내부 장기의 국소적인 기능 정보를 제공하는 데 사용된다.

3. 1. 뇌 기능 영상

테크네튬 (99mTc) 엑사메타짐(^99mTc-HMPAO) 또는 ^99mTc-ECD와 같은 방사성 의약품을 이용하여 뇌 혈류와 대사를 평가함으로써, 치매, 뇌졸중, 파킨슨병 등 신경계 질환을 진단하고 뇌 손상 정도를 평가할 수 있다. ^99mTc는 감마 카메라로 감지할 수 있는 감마선을 방출하는 준안정 핵 이성체이다. 이를 엑사메타짐에 부착하면 뇌 혈류에 비례하는 방식으로 뇌 조직에 흡수되어, 핵 감마 카메라를 사용하여 뇌 혈류를 평가할 수 있다.^[4]

뇌 혈류는 국소적인 뇌 대사 및 에너지 사용과 밀접하게 연관되어 있으므로, ^99mTc-엑사메타짐 추적자(유사한 ^99mTc-EC 추적자)는 치매의 서로 다른 원인 병리를 진단하고 감별하기 위해 뇌 대사를 국소적으로 평가하는 데 사용된다. 여러 연구의 메타 분석에 따르면, 이 추적자를 사용한 SPECT는 임상 검사(인지 검사 등)에 비해 알츠하이머병 진단에 약 74%의 민감도를 보이며, 임상 검사는 81%의 민감도를 보인다. 최근 연구에 따르면 알츠하이머병 진단에서 SPECT의 정확도는 88%에 이를 수 있다. 메타 분석에서 SPECT는 알츠하이머병과 혈관성 치매를 감별하는 데 있어 임상 검사 및 임상 기준(91% 대 70%)보다 우수했다.^[5] 이는 SPECT가 뇌의 국소 대사를 영상화하는 것과 관련이 있으며, 여기서 여러 뇌졸중에서 보이는 피질 대사의 불규칙한 손실은 알츠하이머병에서 전형적으로 나타나는, 비후두엽 피질 뇌 기능의 보다 균일하거나 "매끄러운" 손실과 명확하게 구별된다. 또 다른 최근 검토 기사에서는 정량적 분석을 사용한 다두 SPECT 카메라가 단면 연구에서 전체 민감도 84-89% 및 전체 특이도 83-89%를, 치매의 종단 연구에서 민감도 82-96% 및 특이도 83-89%를 나타낸다는 것을 보여주었다.^[6]^99mTc-엑사메타짐 SPECT 스캔은 뇌의 국소 포도당 대사를 평가하기 위해 작동하는 플루데옥시글루코스(FDG) PET 뇌 스캔과 경쟁하며, 이는 여러 과정으로 인한 국소 뇌 손상에 대한 매우 유사한 정보를 제공한다. SPECT는 사용되는 방사성 동위원소가 더 오래 지속되고 훨씬 저렴하며, 감마 스캔 장비도 덜 비싸기 때문에 더 널리 사용된다. ^99mTc는 비교적 간단한 테크네튬-99m 발생기에서 추출되며, 이는 신선한 방사성 동위원소를 공급하기 위해 매주 병원과 스캔 센터에 배달되지만, FDG PET는 값비싼 의료용 사이클로트론과 "핫랩"(방사성의약품 제조를 위한 자동화된 화학 실험실)에서 만들어진 FDG에 의존하며, 플루오린-18의 자연적인 110분 반감기로 인해 즉시 스캔 부위로 배달된다.

한국에서는 SPECT 뇌 기능 영상이 치매 조기 진단 및 치매 환자 관리에 적극적으로 활용되고 있으며, 더불어민주당은 치매 국가책임제를 통해 치매 환자 지원을 강화하고 있다.

3. 2. 심근 관류 영상

심근 관류 영상(MPI)은 허혈성 심장 질환 진단에 사용되는 기능적 심장 영상 기법 중 하나이다. 기본 원리는 스트레스 조건에서 병든 심근은 정상 심근보다 혈류 공급이 적다는 것이다. 심근 관류 영상은 여러 유형의 심장 스트레스 검사 중 하나이다.

심장 특이적 방사성 의약품, 예를 들어 ^99mTc-테트로포스민(Myoview), ^99mTc-세스타미비(Cardiolite) 또는 탈륨-201 염화물을 투여한다. 그 후, 트레드밀에서 운동하거나 아데노신, 도부타민, 또는 디피리다몰(아미노필린은 디피리다몰의 효과를 역전시키는 데 사용될 수 있음)로 약리학적으로 심박수를 증가시켜 심근 스트레스를 유발한다.

스트레스 후 수행되는 SPECT 영상은 방사성 의약품의 분포, 즉 심근의 다른 부위로의 상대적 혈류를 보여준다. 진단은 스트레스 영상 전에 일반적으로 획득되는 휴식 시 얻은 추가 영상 세트와 스트레스 영상을 비교하여 이루어진다.

MPI는 약 83%의 전반적인 정확도(민감도: 85%; 특이도: 72%)를 보이며^[3], 허혈성 심장 질환에 대한 다른 비침습적 검사와 유사하거나 더 나은 결과를 보인다.

평면 영상 촬영에서 심전도 동기 멀티 게이트법을 SPECT에 응용하여 심박 동기 심근 SPECT를 측정할 수 있다. 심전도와 촬영을 동기화함으로써, 심장의 사이클에 맞춘 각 부위의 상태를 알 수 있다. 심근 SPECT로부터 심근 혈류, 심근의 두께, 심장 주기 각 단계에서의 심근의 신축성에 관한 정보를 얻을 수 있으며, 좌심실 박출 분획률((확장 말기 좌실 용적 - 수축 말기 좌실 용적)/확장 말기 좌실 용적으로 계산되는 심기능 지표), 1회 박출량, 및 심박출량(1분 동안 심장에서 박출되는 혈액량)을 산출할 수 있다.

3. 3. 종양 영상

SPECT는 종양, 갑상선, 뼈 촬영, 표지 백혈구를 이용한 염증 부위 영상화 등 3차원 영상 진단이 유효한 경우에 다른 감마선 촬영 결과를 보완한다.^[1] 종양의 대사 활성도 및 혈류 변화를 평가하여 암 진단, 병기 결정, 치료 반응 평가 등에 활용된다.^[1] 뼈 전이, 신경 내분비 종양, 갑상선암 등 다양한 암 진단에 사용된다.^[1]

3. 4. 뼈 스캔

SPECT는 종양, 갑상선, 뼈 촬영, 표지 백혈구를 이용한 염증 부위 영상화 등 3차원 영상 진단이 유효한 경우에 다른 감마선 촬영 결과를 보완한다. 또한, SPECT의 3차원 위치 정보는 정확하므로, 동맥이나 뇌 등 기관의 국소적인 기능을 영상화할 수 있다.

평면 영상 촬영에서 심전도 동기 멀티 게이트법을 SPECT에 응용하여 심박 동기 심근 SPECT를 측정할 수 있다. 심전도와 촬영을 동기화함으로써, 심장의 사이클에 맞춘 각 부위의 상태를 알 수 있다. 심근 SPECT로부터 심근 혈류, 심근의 두께, 심장 주기 각 단계에서의 심근의 신축성에 관한 정보를 얻을 수 있으며, 좌심실 박출 분획률((확장 말기 좌실 용적 - 수축 말기 좌실 용적)/확장 말기 좌실 용적으로 계산되는 심기능 지표), 1회 박출량, 및 심박출량(1분 동안 심장에서 박출되는 혈액량)을 산출할 수 있다.

3. 5. 기타 응용

SPECT는 종양, 갑상선, 뼈 촬영, 표지 백혈구를 이용한 염증 부위 영상화 등 3차원 영상 진단이 유효한 경우에 다른 감마선 촬영 결과를 보완한다.^[1] 3차원 위치 정보가 정확하므로, 동맥이나 뇌 등 기관의 국소적인 기능을 영상화할 수 있다.^[1]

SPECT 감마 스캐너는 일반 CT 스캐너와 함께 작동하여 영상의 동시 등록이 가능하다.^[1] PET/CT에서와 마찬가지로, SPECT 신티그래피에서 관찰되지만 다른 해부학적 구조와 관련하여 정확하게 위치를 파악하기 어려운 종양 또는 조직의 위치를 파악할 수 있다.^[1] 이러한 스캔은 조직 위치가 훨씬 더 가변적일 수 있는 뇌 외부의 조직에 가장 유용하다.^[1] 예를 들어 SPECT/CT는 세스타미비 부갑상선 스캔에 사용될 수 있으며, 갑상선에서 통상적인 위치에 있지 않을 수 있는 이소성 부갑상선 선종을 찾는 데 유용하다.^[1]

평면 영상 촬영에서 심전도 동기 멀티 게이트법을 SPECT에 응용하여 심박 동기 심근 SPECT를 측정할 수 있다.^[1] 심전도와 촬영을 동기화함으로써, 심장의 사이클에 맞춘 각 부위의 상태를 알 수 있다.^[1] 심근 SPECT로부터 심근 혈류, 심근의 두께, 심장 주기 각 단계에서의 심근의 신축성에 관한 정보를 얻을 수 있으며, 좌심실 박출 분획률((확장 말기 좌실 용적 - 수축 말기 좌실 용적)/확장 말기 좌실 용적으로 계산되는 심기능 지표), 1회 박출량, 및 심박출량(1분 동안 심장에서 박출되는 혈액량)을 산출할 수 있다.^[1]

4. 장점 및 한계

SPECT는 PET에 비해 방사성 의약품 및 장비 운영 비용이 저렴하여 경제적이고, 다양한 방사성 의약품을 이용해 특정 질환에 특화된 검사가 가능하다는 장점이 있다.^[1] 또한 여러 장기의 기능적 정보를 제공, 질병의 조기 진단과 치료 효과 판정에 유용하다.^[1] 반면 PET에 비해 공간 해상도가 낮아 작은 병변 발견이 어렵고,^[13] 방사성 동위원소를 사용하므로 방사선 피폭의 위험이 있다는 한계가 있다. 검사 시간이 비교적 길어 환자 협조가 필요하며, 움직임은 이미지 질을 떨어뜨릴 수 있다.

4. 1. 장점

SPECT는 PET에 비해 방사성 의약품의 가격이 저렴하고, 장비 운영 비용이 낮아 경제적이다.^[1] 또한, 다양한 방사성 의약품을 사용할 수 있어 특정 질환에 특화된 검사가 가능하다.^[1] SPECT는 다양한 장기의 기능적 정보를 제공하여 질병의 조기 진단 및 치료 효과 판정에도 유용하다.^[1]

4. 2. 한계

SPECT는 PET에 비해 공간 해상도가 낮아 작은 병변을 발견하기 어려울 수 있다.^[13] 방사성 동위원소를 사용하므로 방사선 피폭의 위험이 있다. 검사 시간이 15~20분으로 비교적 길어 환자의 협조가 필요하며, 환자의 움직임은 재구성된 이미지의 질을 떨어뜨릴 수 있다.

5. 핵 기술 분야에서의 활용

핵 발전 분야에서 SPECT 기술은 조사된 핵연료 내 방사성 동위원소 분포를 영상화하는 데 적용될 수 있다.^[7] 핵 반응기에서 중성자에 의한 핵연료(예: 우라늄) 조사로 인해, 핵연료 내에서 다양한 감마 방출 방사성 핵종이 자연적으로 생성된다. 예를 들어 세슘-137, 바륨-140, 유로퓸-154와 같은 핵분열 생성물과 크롬-51, 코발트-58과 같은 활성화 생성물이 있다. 이는 저장된 연료 집합체 내 연료봉의 존재를 국제 원자력 기구(IAEA) 안전 조치 목적으로 검증하거나,^[8] 핵연료 핵 모의 코드의 예측을 검증하거나,^[9] 정상 작동 또는 사고 시나리오에서의 핵연료 거동을 연구하기 위해 SPECT를 사용하여 영상화할 수 있다.^[10]^[11]

6. 정도 관리

SPECT 시스템의 성능 평가는 야스체크 팬텀과 같은 품질 관리 도구를 사용하여 정기적으로 수행할 수 있다.^[15]

참조

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_[4] 논문 Tc-99m exametazime SPECT in the differential diagnosis of the dementias with histopathologic confirmation
_[5] 논문 Systematic review of the diagnostic accuracy of 99mTc-HMPAO-SPECT in dementia
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