신경영상

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1. 개요
2. 역사
3. 뇌영상 기술 종류
- 3.1. 구조적 뇌영상
  - 3.1.1. 컴퓨터 단층 촬영 (CT)
  - 3.1.2. 자기 공명 영상 (MRI)
- 3.2. 기능적 뇌영상
4. 뇌영상 기술의 활용
참조

1. 개요

신경영상은 뇌의 구조와 기능을 시각적으로 보여주는 기술로, 19세기 이탈리아 신경과학자의 연구에서 시작되어 뇌혈관 조영술, 컴퓨터 단층 촬영(CT), 자기 공명 영상(MRI), 기능적 자기 공명 영상(fMRI) 등으로 발전해왔다. 현재는 구조적 뇌영상(CT, MRI)과 기능적 뇌영상(fMRI, PET, SPECT, MEG, EEG, DOI/DOT, EROS, fUS) 등 다양한 기술이 사용되며, 뇌졸중, 종양, 간질, 치매 등 신경학적 질환의 진단 및 치료에 활용된다.

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신경영상
개요
이름	신경영상
원어	Neuroimaging, Brain imaging (영어)
목적	신경계의 구조, 기능 및 약리학을 간접적(직접적)으로 영상화
검사 대상	뇌 척수
기반	해부학 생리학 화학 물리학 신경과학
관련 질병	뇌졸중 뇌종양 다발성 경화증 알츠하이머병 파킨슨병 정신 질환
진단 방법	뇌파 검사 뇌 자기장 측정 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 자기 공명 영상 (MRI) 양전자 방출 단층 촬영 (PET) 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영 (SPECT) 기능적 자기 공명 영상 (fMRI) 뇌혈관 조영술
영상 종류
구조적 영상	컴퓨터 단층 촬영 (CT) 자기 공명 영상 (MRI)
기능적 영상	양전자 방출 단층 촬영 (PET) 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영 (SPECT) 기능적 자기 공명 영상 (fMRI) 뇌파 검사 뇌 자기장 측정
활용 분야
임상	신경과 신경외과 정신건강의학과 재활의학과
연구	인지과학 신경과학 심리학

2. 역사

신경영상의 역사는 이탈리아의 신경과학자 안젤로 모소가 감정적, 지적 활동 동안의 혈액 재분포를 비침습적으로 측정할 수 있는 '인간 순환 균형'을 발명하면서 시작되었다.^[1]

1918년, 미국의 신경외과 의사 월터 댄디는 뇌실 조영술 기법을 도입했다. 뇌 내의 뇌실 시스템의 X선 이미지는 여과된 공기를 뇌의 하나 또는 두 개의 측뇌실에 직접 주입하여 얻었다. 댄디는 또한 요추 천자를 통해 지주막하 공간에 주입된 공기가 뇌 뇌실로 들어가 뇌 기저부와 표면 주변의 뇌척수액 구획을 보여줄 수 있다는 것도 관찰했다. 이 기술을 기뇌조영술이라고 불렀다.

1927년, 에가스 모니즈는 뇌혈관 조영술을 도입하여 뇌 안과 주변의 정상 및 비정상 혈관을 매우 정밀하게 시각화할 수 있게 되었다.

1970년대 초, 앨런 맥레오드 코맥과 고드프리 뉴볼드 하운스필드는 컴퓨터 단층 촬영(CAT 또는 CT 스캔)을 도입했고, 진단 및 연구 목적으로 뇌의 더욱 상세한 해부학적 이미지를 사용할 수 있게 되었다. 코맥과 하운스필드는 이 업적으로 1979년 노벨 생리학·의학상을 수상했다. CAT가 도입된 직후인 1980년대 초, 방사성 리간드의 개발로 뇌의 단일 광자 방출 전산화 단층 촬영(SPECT)과 양전자 방출 단층 촬영(PET)이 가능해졌다.

거의 동시에, 피터 맨스필드와 폴 로터버를 포함한 연구자들에 의해 자기 공명 영상(MRI 또는 MR 스캔)이 개발되었으며, 이들은 2003년 노벨 생리학·의학상을 수상했다. 1980년대 초 MRI가 임상적으로 도입되었고, 1980년대 동안 기술적 개선과 진단적 MR 응용 분야가 폭발적으로 증가했다. 과학자들은 곧 PET로 측정된 큰 혈류 변화를 올바른 유형의 MRI로도 영상화할 수 있다는 것을 알게 되었다. 기능적 자기 공명 영상(fMRI)이 등장했고, 1990년대 이후 fMRI는 낮은 침습성, 방사선 노출 부족, 비교적 넓은 보급성으로 인해 뇌 매핑 분야를 지배하게 되었다.

2000년대 초, 신경영상 분야는 기능적 뇌 영상의 제한적인 실용적 응용이 가능해지는 단계에 도달했다. 주요 응용 분야는 조잡한 형태의 뇌-컴퓨터 인터페이스이다.

2019년에는 전뇌 MRI 이미지의 공간 해상도 세계 기록인 100마이크로미터 부피(이미지)가 달성되었다. 샘플 획득에는 약 100시간이 소요되었다.^[2] 인체 전체 뇌의 모든 방법의 공간 세계 기록은 ESRF(유럽 싱크로트론 방사선 시설)에서 수행된 X선 단층 촬영 스캔으로, 해상도가 약 25마이크론이었고 약 22시간이 소요되었다. 이 스캔은 같은 해상도의 다른 인체 장기의 X선 단층 촬영 스캔이 있는 인체 장기 아틀라스의 일부였다.^[3]^[4]

자기 공명 영상의 중요한 아이디어는 순 자기화 벡터가 스핀 상태 간의 에너지 차이와 동일한 주파수의 에너지를 스핀 시스템에 노출시킴으로써 이동될 수 있다는 것이다(예: 무선 주파수 펄스에 의해). 충분한 에너지가 시스템에 전달되면 순 자기화 벡터를 외부 자기장의 것과 직각으로 만들 수 있다.

3. 뇌영상 기술 종류

뇌영상 기술은 크게 뇌의 구조를 보여주는 구조적 뇌영상과 뇌의 활동을 보여주는 기능적 뇌영상으로 나눌 수 있다.

구조적 뇌영상: 뇌의 해부학적 구조를 시각화하여 뇌종양과 같은 질병을 진단하는 데 사용된다. 기뇌조영술, 뇌혈관 조영술, 컴퓨터 단층 촬영(CT), 자기 공명 영상(MRI) 등이 있다.
기능적 뇌영상: 뇌 기능 및 신진대사와 관련된 질병 진단에 사용되며, 신경학, 인지심리학 등에서 뇌-컴퓨터 인터페이스 연구 목적으로도 활용된다. 뇌에서 정보 처리가 일어날 때 관련 영역의 신진대사가 증가하는 것을 직접 시각화할 수 있다. 기능적 자기 공명 영상(fMRI), 양전자 방출 단층 촬영(PET), 단일 광자 방출 전산화 단층 촬영(SPECT), 뇌자도(MEG), 뇌파검사(EEG), 확산 광학 영상(DOI), 사건 관련 광학 신호(EROS), 기능적 초음파 영상(fUS) 등이 있다.

뇌영상 기법 종류
구분	기법	설명	장점	단점
구조적 뇌영상	기뇌조영술	여과된 공기를 뇌 측뇌실에 직접 주입하거나, 요추 천자를 통해 지주막하 공간에 주입하여 뇌 뇌실과 뇌 기저부, 표면 주변의 뇌척수액 구획을 X선 이미지로 보여준다.
	뇌혈관 조영술	뇌 안과 주변의 정상 및 비정상 혈관을 매우 정밀하게 시각화.
	컴퓨터 단층 촬영(CT)	여러 방향에서 촬영한 머리 X-ray를 사용, 뇌 손상 확인, 뇌 단면 영상 생성.	빠른 촬영, 뇌 손상 확인 용이	방사선 노출
	자기 공명 영상(MRI)	자기장과 전파를 이용하여 뇌 구조를 고품질 2차원 또는 3차원 영상으로 생성.	방사선 노출 없음, 고해상도 영상
기능적 뇌영상	기능적 자기 공명 영상(fMRI)	산소화/탈산소화 헤모글로빈의 상자성 특성을 이용, 신경 활동 관련 혈류 변화를 이미지화한다.	비침습적, 방사선 노출 없음, 비교적 넓은 보급성	낮은 시간 해상도, 일부 통계 유효성 우려^[22]
	양전자 방출 단층 촬영(PET)	혈류에 주입된 방사성 표지 대사 활성 화학 물질에서 방출되는 방사선 측정.	혈류, 산소, 포도당 대사 등 다양한 화합물 작용 관찰 가능, 신경전달물질 활동 매핑	방사능 붕괴로 짧은 작업만 모니터링 가능^[14]
	단일 광자 방출 전산화 단층 촬영(SPECT)	감마선 방출 방사성 동위원소와 감마 카메라를 이용, 뇌 활성 영역 2D/3D 이미지 구성.	간질 영상에 적합, 치매 유발 질병 과정 구별에 유용	MRI에 비해 낮은 해상도 (약 1cm)^[16]
	뇌자도(MEG)	뇌 전기 활동으로 생성된 자기장 측정.	매우 높은 시간 해상도, 신경 전기 활동 직접 측정, 주변 조직 왜곡 적음	낮은 공간 해상도, 고가 장비
	뇌파검사(EEG)	뉴런 생성 전기 신호 감지.	높은 시간 해상도, 저렴한 장비	fMRI에 비해 낮은 공간 해상도
	확산 광학 영상(DOI) / 확산 광학 단층 촬영술(DOT)	근적외선 빛으로 신체 이미지 생성, 혈색소 광학 흡수 측정.	fMRI와 유사한 결과
	사건 관련 광학 신호(EROS)	광섬유 통해 적외선 사용, 대뇌 피질 활성 영역 광학 특성 변화 측정.	뇌 활동 밀리미터/밀리초 내 정확도, 저렴, 비침습적	몇 센티미터 이상 깊이 활동 감지 불가
	기능적 초음파 영상(fUS)	신경 활동/신진대사 변화 감지, 혈류/혈역학적 변화 측정.	고감도 혈류 영상 가능

3. 1. 구조적 뇌영상

뇌영상은 뇌의 구조와 기능을 연구하고 질병을 진단하는 데 사용되는 기술이다. 크게 뇌의 구조를 보여주는 구조적 뇌영상과 뇌의 활동을 보여주는 기능적 뇌영상으로 나눌 수 있다.

구조적 뇌영상은 뇌의 해부학적 구조를 시각화하여 뇌종양과 같은 질병을 진단하는 데 사용된다.

머리 구조 자기 공명 영상(구조 MRI) - 머리 꼭대기에서 두개골 기저부까지

'''기뇌조영술''': 1918년 미국의 신경외과 의사 월터 댄디가 도입했다. 여과된 공기를 뇌의 측뇌실에 직접 주입하거나, 요추 천자를 통해 지주막하 공간에 주입하여 뇌 뇌실과 뇌 기저부, 표면 주변의 뇌척수액 구획을 X선 이미지로 보여준다.
'''뇌혈관 조영술''': 1927년 에가스 모니즈가 도입하였으며, 뇌 안과 주변의 정상 및 비정상 혈관을 매우 정밀하게 시각화할 수 있게 되었다.
'''컴퓨터 단층 촬영(CT)''': 하위 섹션에서 자세히 설명한다.
'''자기 공명 영상(MRI)''': 하위 섹션에서 자세히 설명한다.

3. 1. 1. 컴퓨터 단층 촬영 (CT)

컴퓨터 단층 촬영(CT)은 여러 방향에서 촬영한 머리 X-ray를 사용한다. 주로 뇌 손상을 빠르게 확인하는 데 사용되며, 뇌의 작은 부피에서 X-ray 빔이 얼마나 흡수되는지 추정하는 컴퓨터 프로그램을 이용해 뇌 단면 영상을 만든다.^[12]

CT 스캔은 1970년대에 도입되어 빠르게 널리 사용되는 영상 촬영 방법 중 하나가 되었다. 1초 이내에 촬영이 가능하여 임상의에게 빠른 결과를 제공한다. 이러한 편리함 때문에 미국에서 CT 스캔 건수는 1980년 300만 건에서 2007년 6,200만 건으로 크게 증가했다. 한 연구에 따르면 개인의 30%가 최소 3번 이상 CT 스캔을 받는다고 보고되었다.^[36] CT 스캔은 기존 X-ray보다 100~500배 더 높은 수준의 방사선에 환자를 노출시킬 수 있으며, 방사선량이 높을수록 더 선명한 영상을 얻을 수 있다.^[37] 하지만 무증상 환자를 포함하여 CT 스캔 사용이 증가하면서 환자가 높은 수준의 방사선에 노출되는 것에 대한 우려도 커지고 있다.^[36]

3. 1. 2. 자기 공명 영상 (MRI)

자기공명영상(MRI)은 전리 방사선이나 방사성 추적자를 사용하지 않고, 자기장과 전파를 이용하여 뇌 구조를 고품질의 2차원 또는 3차원 영상으로 나타낸다. Magnetic resonance imaging|자기 공명 영상^영어

자기 공명 영상의 핵심 아이디어는 순 자기화 벡터가 스핀 상태 간의 에너지 차이와 동일한 주파수의 에너지를 스핀 시스템에 노출시킴으로써(예: 무선 주파수 펄스) 이동될 수 있다는 것이다. 충분한 에너지가 시스템에 전달되면, 순 자기화 벡터를 외부 자기장의 것과 직각으로 만들 수 있다.

전체 온전한 뇌(사후)의 최고 공간 해상도 기록은 매사추세츠 종합 병원에서 2019년에 달성한 100마이크론이다.^[13]

3. 2. 기능적 뇌영상

뇌영상은 크게 뇌의 구조를 다루는 구조 영상과, 뇌의 기능 및 신진대사와 관련된 질병 진단에 사용되는 기능 영상으로 나뉜다. 기능 영상은 신경학, 인지심리학 등에서 뇌-컴퓨터 인터페이스 연구 목적으로도 활용된다. 뇌에서 정보 처리가 일어날 때 관련 영역의 신진대사가 증가하는 것을 직접 시각화할 수 있다.

기능적 뇌영상 기법에는 다음과 같은 것들이 있다.

기능적 뇌영상 기법 종류
기법	설명	장점	단점
기능적 자기 공명 영상(fMRI)	산소화/탈산소화 헤모글로빈의 상자성 특성을 이용, 신경 활동 관련 혈류 변화를 이미지화한다.	비침습적, 방사선 노출 없음, 비교적 넓은 보급성	낮은 시간 해상도, 일부 통계의 유효성에 대한 우려^[22]
양전자 방출 단층 촬영(PET)	혈류에 주입된 방사성 표지 대사 활성 화학 물질에서 방출되는 방사선 측정.	혈류, 산소, 포도당 대사 등 다양한 화합물 작용 관찰 가능, 신경전달물질 활동 매핑	방사능 붕괴로 짧은 작업만 모니터링 가능^[14]
단일 광자 방출 전산화 단층 촬영(SPECT)	감마선 방출 방사성 동위원소와 감마 카메라를 이용, 뇌 활성 영역의 2D/3D 이미지 구성.	간질 영상에 적합, 치매 유발 질병 과정 구별에 유용	MRI에 비해 낮은 해상도 (약 1cm)^[16]
뇌자도(MEG)	뇌 전기 활동으로 생성된 자기장 측정.	매우 높은 시간 해상도, 신경 전기 활동 직접 측정, 주변 조직 왜곡 적음	낮은 공간 해상도, 고가 장비
뇌파검사(EEG)	뉴런 생성 전기 신호 감지.	높은 시간 해상도, 저렴한 장비	fMRI에 비해 낮은 공간 해상도
확산 광학 영상(DOI) / 확산 광학 단층 촬영술(DOT)	근적외선 빛으로 신체 이미지 생성, 혈색소 광학 흡수 측정.	fMRI와 유사한 결과
사건 관련 광학 신호(EROS)	광섬유 통해 적외선 사용, 대뇌 피질 활성 영역 광학 특성 변화 측정.	뇌 활동 밀리미터/밀리초 내 정확도, 저렴, 비침습적	몇 센티미터 이상 깊이 활동 감지 불가
기능적 초음파 영상(fUS)	신경 활동/신진대사 변화 감지, 혈류/혈역학적 변화 측정.	고감도 혈류 영상 가능

3. 2. 1. 기능적 자기 공명 영상 (fMRI)

기능적 자기 공명 영상(fMRI)과 동맥 스핀 표지(ASL)는 산소화된 헤모글로빈과 탈산소화된 헤모글로빈의 상자성 특성을 이용하여 신경 활동과 관련된 뇌의 혈류 변화를 이미지로 보여준다. 이를 통해 다양한 과제를 수행하거나 휴식 상태에서 어떤 뇌 구조가 활성화되는지(그리고 어떻게)를 반영하는 이미지를 생성할 수 있다.^[22] 산소화 가설에 따르면, 인지 또는 행동 활동 중 국소 뇌 혈류에서 산소 사용량의 변화는 인지 또는 행동 과제와 직접적으로 관련된 국소 신경과 연관될 수 있다.

대부분의 fMRI 스캐너는 피험자가 다양한 시각적 이미지, 소리 및 촉각 자극을 제시받고 버튼을 누르거나 조이스틱을 움직이는 등 다양한 행동을 할 수 있도록 한다. 결과적으로 fMRI는 지각, 사고 및 행동과 관련된 뇌 구조와 프로세스를 밝히는 데 사용할 수 있다. fMRI의 해상도는 현재 약 2-3밀리미터로, 신경 활동에 대한 혈역학적 반응의 공간적 확산에 의해 제한된다. 뇌 활성화 패턴 연구를 위해 양전자 방출 단층 촬영(PET)를 크게 대체했다. 그러나 PET는 방사성 표지된 수용체 "리간드"(수용체 리간드는 수용체에 달라붙는 모든 화학 물질)를 이미지화할 수 있는 능력을 통해 특정 수용체 (또는 수송체)를 식별할 수 있다는 중요한 이점을 유지한다. 또한 fMRI 분석에 사용되는 일부 통계의 유효성에 대한 심각한 우려가 있으므로 많은 fMRI 연구에서 도출된 결론의 유효성도 우려된다.^[22]

fMRI 기술은 우연이 0.8%를 달성할 수 있는 상황에서 72%에서 90% 사이의 정확도로 피험자가 보고 있는 일련의 알려진 이미지 중 어느 것을 결정할 수 있다.^[23]^[24]

최근 정신 의학 분야에서는 fMRI를 사용하여 자살 행동이 있는 개인과 없는 개인을 구별할 수 있는 기계 학습 모델을 구축하는 연구가 진행되었다. 기계 학습 알고리즘과 함께 이미징 연구는 환자의 자살 위험을 기반으로 계층화를 가능하게 하고 개별 환자에게 최상의 치료법을 개발하는 데 도움이 될 수 있는 신경 영상에서 새로운 마커를 식별하는 데 도움이 될 수 있다.^[25]

fMRI는 다른 영상 기법에 비해 비침습적이므로 일반적으로 최소에서 중간 정도의 위험으로 분류된다. fMRI는 영상 형성을 위해 혈중 산소 농도 의존(BOLD) 대비를 사용한다. BOLD 대비는 신체에서 자연적으로 발생하는 과정이므로, fMRI는 유사한 영상을 생성하기 위해 방사성 표지자가 필요한 영상 기법보다 선호되는 경우가 많다.^[33] fMRI 사용과 관련된 우려는 신체 내 의료용 임플란트나 장치, 금속성 물체를 가진 개인에 대한 사용이다. 장비에서 방출되는 자기 공명(MR)은 적절하게 검사하지 않으면 의료 기기의 고장을 유발하고 신체 내 금속 물체를 끌어당길 수 있다. 현재 미국 식품의약국(FDA)은 MR 적합성에 따라 의료용 임플란트와 장치를 세 가지 범주로 분류한다: MR 안전(모든 MR 환경에서 안전), MR 안전하지 않음(어떤 MR 환경에서도 안전하지 않음), MR 조건부(특정 환경에서 MR 호환 가능하며 추가 정보 필요).^[34]

3. 2. 2. 양전자 방출 단층 촬영 (PET)

양전자 방출 단층 촬영술(PET) 및 뇌 양전자 방출 단층 촬영술은 혈류에 주입된 방사성 표지 대사 활성 화학 물질에서 방출되는 방사선을 측정한다. 방출 데이터는 뇌 전체에 걸쳐 화학 물질의 분포에 대한 2차원 또는 3차원 이미지를 생성하기 위해 컴퓨터로 처리된다.^[14] 사용되는 양전자 방출 방사성 동위원소는 사이클로트론에 의해 생성되며, 화학 물질은 이러한 방사성 원자로 표지된다. ''방사성 추적자''라고 불리는 표지된 화합물은 혈류에 주입되어 결국 뇌로 이동한다. PET 스캐너의 센서는 화합물이 뇌의 다양한 부위에 축적됨에 따라 방사능을 감지한다. 컴퓨터는 센서가 수집한 데이터를 사용하여 화합물이 뇌에서 작용하는 위치를 보여주는 다색 2차원 또는 3차원 이미지를 생성한다. 특히 유용한 것은 신경 전달 물질 활동의 다양한 측면을 매핑하는 데 사용되는 광범위한 리간드이며, 가장 일반적으로 사용되는 PET 추적자는 포도당의 표지 형태이다(플루데옥시글루코스(18F) 참조).

PET 스캔의 가장 큰 장점은 다양한 화합물이 작동하는 뇌 조직에서 혈류, 산소 및 포도당 대사를 보여줄 수 있다는 것이다. 이러한 측정은 뇌의 다양한 부위에서 뇌 활동의 양을 반영하며 뇌가 어떻게 작동하는지에 대해 더 많은 것을 알 수 있게 해준다. PET 스캔은 처음 사용 가능해졌을 때 해상도와 완료 속도(30초 정도) 측면에서 다른 모든 대사 영상 방법보다 뛰어났다. 해상도가 향상되어 특정 작업에 의해 활성화된 뇌 영역에 대한 더 나은 연구가 가능해졌다. PET 스캔의 가장 큰 단점은 방사능이 빠르게 붕괴되기 때문에 짧은 작업만을 모니터링하는 데 제한된다는 것이다.^[14] 기능적 자기 공명 영상(fMRI) 기술이 도입되기 전에는 PET 스캔이 기능적(구조적과 반대) 뇌 영상의 선호되는 방법이었으며, 신경 과학에 계속해서 큰 기여를 하고 있다.

PET 스캔은 또한 뇌종양, 간질 및 치매를 유발하는 신경 손상 질환(알츠하이머병 등)을 포함한 뇌 질환의 진단에도 사용되며, 이들은 모두 뇌 대사에 큰 변화를 일으켜 PET 스캔에서 쉽게 감지할 수 있다. PET는 조기 손상이 너무 광범위하고 뇌 부피 및 육안 구조에 너무 작은 차이를 만들어 노화와 함께 발생하는 피질 위축의 "정상" 범위와 안정적으로 구별하기 어려울 정도로 CT 및 표준 MRI 이미지를 변화시키기에, 특정 치매(전형적인 예로는 알츠하이머병 및 픽병)의 초기 사례에 가장 유용하다.

FDG-PET 스캔은 적절한 약물 치료에도 불구하고 계속 발작을 겪는 간질 환자의 평가에 자주 사용된다. 발작이 뇌의 작은 부분에서 시작되어 다른 부위로 퍼지는 국소 간질의 경우, 발작 시작의 원인이 되는 뇌 영역을 식별하는 데 사용되는 많은 방법 중 하나이다. 일반적으로 발작이 시작되는 뇌 영역은 환자가 발작을 일으키지 않을 때에도 기능 장애가 있으며 건강한 뇌 영역에 비해 포도당, 즉 FDG를 덜 흡수한다.^[15] 이 정보는 약물 저항성 간질 치료를 위한 간질 수술 계획에 도움이 될 수 있다.

상업적으로 임상 사용이 가능하지는 않지만 다른 방사성 추적자도 발작 시작 영역을 식별하는 데 사용되었다. 여기에는 ¹¹C-플루마제닐, 1¹C-알파-메틸-L-트립토판, ¹¹C-메티오닌, ¹¹C-세르펜타닐이 포함된다.^[15]

PET 스캔에서 영상화는 고유한 생물학적 과정에 의존하지 않고, 혈류에 주입되어 뇌로 이동하는 외래 물질에 의존한다. 환자에게는 뇌에서 대사되고 양전자를 방출하여 뇌 활동을 시각화하는 방사성 동위원소가 주입된다.^[33] PET 스캔에서 환자가 노출되는 방사선량은 비교적 적으며, 개인이 1년 동안 노출되는 환경 방사선량과 유사하다. PET 방사성 동위원소는 일반적으로 매우 짧은 반감기(~2시간)를 가지고 빠르게 붕괴되므로 신체 내 노출 시간이 제한적이다.^[38] 현재 기능적 자기 공명 영상(fMRI)는 방사선을 사용하지 않고, PET보다 시간 해상도가 높으며, 대부분의 의료 환경에서 더 쉽게 사용 가능하다는 점에서 PET보다 뇌 활동을 영상화하는 데 선호되는 방법이다.^[33]

3. 2. 3. 단일 광자 방출 전산화 단층 촬영 (SPECT)

단일 광자 방출 전산화 단층 촬영술(SPECT)은 양전자 방출 단층 촬영술(PET)과 유사하게 감마선을 방출하는 방사성 동위원소와 감마 카메라를 사용하여 뇌의 활성 영역에 대한 2차원 또는 3차원 이미지를 구성하는 데 사용되는 데이터를 기록한다.^[16] SPECT는 방사성 추적자 또는 "SPECT 제제"의 주입에 의존하며, 이는 뇌에 의해 빠르게 흡수되지만 재분배되지 않는다. SPECT 제제의 흡수는 30~60초 이내에 거의 100% 완료되어 주입 시의 뇌 혈류량(CBF)을 반영한다. 이러한 특성 덕분에 SPECT는 환자 움직임 문제와 다양한 발작 유형으로 인해 일반적으로 어려움을 겪는 간질 영상에 특히 적합하다. SPECT는 발작 종료 후(방사성 추적자가 발작 시 주입된 경우) 스캔을 얻을 수 있으므로 뇌 혈류의 "스냅샷"을 제공한다. SPECT의 중요한 제한 사항은 MRI에 비해 해상도가 낮다는 것(약 1cm)이다. 오늘날에는 이중 검출기 헤드가 있는 SPECT 기계가 일반적으로 사용되지만, 삼중 검출기 헤드 기계도 시장에서 구할 수 있다. 단층 재구성(주로 뇌의 기능적 "스냅샷"에 사용됨)은 인간 두개골 주위를 회전하는 검출기 헤드의 여러 투영이 필요하므로 일부 연구자들은 영상 시간을 단축하고 더 높은 해상도를 제공하기 위해 6개 및 11개 검출기 헤드 SPECT 기계를 개발했다.^[17]^[18]

PET와 마찬가지로 SPECT는 치매를 유발하는 다양한 종류의 질병 과정을 구별하는 데에도 사용할 수 있으며, 이 목적으로 점점 더 많이 사용되고 있다. I-123으로 표지된 Isoflupane(DaT 스캔이라고도 함)을 사용한 SPECT 스캔은 파킨슨병을 다른 떨림의 원인과 구별하는 데 유용하다.^[19]

SPECT 스캔은 약물 저항성 간질 평가에도 사용된다. 이 스캔은 Tc⁹⁹으로 표지된 헥사메틸-프로필렌 아민 옥심(Tc⁹⁹HMPAO) 또는 에틸 시스테이네이트 다이머(Tc⁹⁹ ECD)를 추적자로 사용한다. 방사성 추적자는 발작이 시작되는 즉시 환자의 정맥에 주입되며, 발작이 끝나고 몇 시간 이내에 스캔이 수행된다. 이 기술을 발작 SPECT라고 하며, 발작 중 발작 시작 부위의 CBF 증가에 의존한다. 간헐 SPECT는 동일한 추적자를 사용하지만 환자가 발작을 겪지 않는 동안 수행되는 스캔이다. 발작 사이에는 발작 시작 부위에서 CBF 감소가 관찰되며 발작 중 혈류 증가만큼 두드러지지 않는다.^[20]

3. 2. 4. 뇌자도 (MEG)

뇌자도(MEG)는 초전도 양자 간섭 장치(SQUID) 또는 스핀 교환 완화 프리^[28](SERF) 자력계와 같이 매우 민감한 장치를 사용하여 뇌의 전기적 활동으로 생성된 자기장을 측정하는 영상 기법이다. MEG는 신경 전기적 활동을 매우 직접적으로 측정하며(예: fMRI에 비해) 시간 해상도가 매우 높지만, 공간 해상도는 비교적 낮다. 신경 활동으로 생성된 자기장을 측정하는 것은 뇌파검사(EEG)로 측정되는 전기장에 비해 주변 조직(특히 두개골과 두피)에 의해 덜 왜곡될 가능성이 있다는 장점이 있다.

실제 머리는 비구형이며 대체로 이방성 전도율을 가지고 있다(특히 백색질과 두개골). 두개골 이방성은 MEG에 미미한 영향을 미치지만(EEG와 달리), 백색질 이방성은 방사형 및 깊은 소스에 대한 MEG 측정에 강하게 영향을 미친다.^[29] 그러나 두개골이 균일하게 이방성이라고 가정되어도 실제 머리에서는 그렇지 않다. 즉, 판상골과 테이블 층의 절대적 및 상대적 두께가 두개골 뼈 내에서 그리고 뼈마다 다르다. 이는 MEG가 두개골 이방성의 영향을 받을 가능성이 높다는 것을 의미하지만,^[30] EEG와 같은 정도는 아니다.

MEG는 외과의가 병변의 위치를 파악하고, 연구자가 뇌의 다양한 부분의 기능을 결정하는 데 도움을 주는 등 다양한 용도로 사용된다. 또한 신경 피드백 등에도 사용된다.

MEG와 뇌파(EEG)는 높은 시간 해상도를 가지는데, 이러한 방법으로 뇌 활동을 밀리초 단위까지 측정할 수 있게 해준다. MEG와 뇌파 모두 환자가 방사선에 노출될 필요가 없다. 뇌파 전극은 뉴런이 생성하는 전기 신호를 감지하여 뇌 활동을 측정하고, MEG는 이러한 전류가 생성하는 자기장의 진동을 사용하여 활동을 측정한다. MEG는 시스템 구축에 수백만 달러가 소요될 수 있어 가격이 광범위한 사용의 장벽이 된다. 뇌파 시스템은 MEG 시스템보다 훨씬 저렴하므로, 뇌파는 이러한 시간 해상도를 달성하기 위해 훨씬 더 널리 사용되는 방법이다. 뇌파와 MEG는 모두 fMRI에 비해 공간 해상도가 떨어진다는 단점이 있다.

3. 2. 5. 뇌파 (EEG)

뇌파 전극은 뉴런이 생성하는 전기 신호를 감지하여 뇌 활동을 측정한다. 뇌파(EEG)는 자기뇌파 (MEG)와 함께 밀리초 단위까지 뇌 활동을 측정할 수 있는 높은 시간 해상도를 제공한다. 뇌파와 MEG 모두 환자가 방사선에 노출될 필요가 없다. MEG 시스템은 수백만 달러가 소요될 수 있어 가격이 장벽이 되는 반면, 뇌파 시스템은 훨씬 저렴하여 뇌파가 이러한 시간 해상도를 달성하기 위해 더 널리 사용된다. 뇌파와 MEG의 단점은 둘 다 기능적 자기 공명 영상 (fMRI)에 비해 공간 해상도가 떨어진다는 것이다.

3. 2. 6. 광학 뇌영상 (DOI/DOT, EROS)

확산 광학 영상(DOI) 또는 확산 광학 단층 촬영술(DOT)은 근적외선 빛을 사용하여 신체 이미지를 생성하는 의료 영상 기술이다. 이 기술은 혈색소의 광학 흡수를 측정하며, 혈색소의 산소 포화도에 따라 달라지는 흡수 스펙트럼에 의존한다.^[26] 고밀도 확산 광학 단층 촬영술(HD-DOT)은 기능적 자기 공명 영상(fMRI)과 직접 비교되었는데, 시각 자극에 대한 피험자의 반응을 두 기술 모두를 사용하여 연구했을 때 안심할 수 있을 정도로 유사한 결과를 보였다.^[26] HD-DOT는 언어 과제 및 안정 상태 기능적 연결성과 관련하여 fMRI와도 비교되었다.^[27]

사건 관련 광학 신호(EROS)는 광섬유를 통해 적외선을 사용하여 대뇌 피질의 활성 영역의 광학적 특성 변화를 측정하는 뇌 스캔 기술이다. 확산 광학 영상(DOT) 및 근적외선 분광법(NIRS)과 같은 기술은 헤모글로빈의 광학적 흡수를 측정하여 혈류에 기반하는 반면, EROS는 뉴런 자체의 산란 특성을 활용하여 세포 활동을 훨씬 더 직접적으로 측정한다. EROS는 뇌의 활동을 밀리미터(공간적으로)와 밀리초(시간적으로) 내에서 정확히 찾아낼 수 있다. 가장 큰 단점은 몇 센티미터 이상 깊이의 활동을 감지할 수 없다는 것이다. EROS는 비교적 저렴하고 시험 대상에게 비침습적인 새로운 기술이다. 이 기술은 어바나-샴페인 일리노이 대학교에서 개발되었으며, 현재 가브리엘 그라톤(Gabriele Gratton) 박사와 모니카 파비아니(Monica Fabiani) 박사의 인지 신경영상 연구실에서 사용되고 있다.

3. 2. 7. 기능적 초음파 영상 (fUS)

기능적 초음파 영상(fUS)은 신경 활동 또는 신진대사의 변화, 예를 들어 뇌 활동의 위치를 감지하거나 측정하는 의학적 초음파 영상 기술이다. 일반적으로 혈류 또는 혈역학적 변화를 측정하여 이루어진다. 기능적 초음파는 고감도 혈류 영상을 가능하게 하는 초고감도 도플러 및 초고속 초음파 영상에 의존한다.

4. 뇌영상 기술의 활용

뇌영상은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

구조 영상: 뇌의 구조를 다루며 두개 내 종양 등의 질병을 진단하는 데 이용된다.
기능 영상: 신진대사 및 뇌의 기능과 관련된 질병을 진단하는 데 사용되며, 신경학, 인지심리학 등의 분야에서는 뇌-컴퓨터 인터페이스를 만들기 위한 연구 목적으로 사용되기도 한다.

예를 들어, 뇌에서 정보 처리가 일어나는 중추 영역들을 직접적으로 시각화하는 것이 가능하다. 뇌에서 정보 처리가 이루어질 때 관련된 영역에서 신진대사가 증가하게 된다. 신경방사선학은 종종 의사가 신경학적 질환을 앓고 있거나 앓을 수 있는 환자를 더 깊이 조사할 이유가 있다고 판단한 신경학적 검사를 따른다.

신경 영상의 일반적인 임상 적응증으로는 머리 외상, 뇌졸중 유사 증상(예: 신체의 한쪽 절반의 갑작스러운 쇠약/무감각, 말하기 또는 걷기 어려움), 발작, 갑작스러운 심한 두통, 명확하지 않은 이유로 의식 수준의 갑작스러운 변화 등이 있다.

신경방사선학의 또 다른 적응증은 두개내 종양, 동정맥 기형 및 기타 수술 가능한 질환의 치료를 위한 CT, MRI 및 PET 유도 정위 수술 또는 방사선 수술이다.^[5]^[6]^[7]

사람이 경험할 수 있는 더 흔한 신경학적 문제 중 하나는 단순한 실신이다.^[8]^[9] 환자의 병력이 다른 신경학적 증상을 시사하지 않는 단순 실신의 경우, 진단에는 신경학적 검사가 포함되지만, 중추 신경계에서 원인을 찾을 가능성이 매우 낮고 환자가 시술로 인해 이익을 얻을 가능성이 낮기 때문에, 일상적인 신경 영상은 적응증이 되지 않는다.^[9]

신경방사선학은 편두통으로 진단된 안정적인 두통이 있는 환자에게는 적응증이 되지 않는다.^[10] 연구에 따르면 편두통의 존재는 환자의 두개내 질환 위험을 증가시키지 않는다.^[10] 유두 부종과 같은 다른 문제가 없는 편두통 진단은 방사선 검사의 필요성을 나타내지 않을 것이다.^[10] 주의 깊은 진단을 수행하는 과정에서 의사는 두통이 편두통 이외의 다른 원인이 있는지 고려하고 방사선 검사가 필요할 수 있는지 고려해야 한다.^[10]^[11]

참조

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