양전자 방출 단층촬영

3. 역사

1950년대 후반, 데이비드 쿨, 루크 채프먼, 로이 에드워즈가 양전자 방출 단층촬영(PET)의 개념을 제안했다.^[103][104] 이들의 연구는 워싱턴 대학교 의과대학과 펜실베이니아 대학교에서 여러 단층 촬영 기기 설계 및 제작으로 이어졌다.^[80]

1960년대와 70년대에는 워싱턴 대학교 의과대학의 미셸 테르-포고시안, 마이클 E. 펠프스, 에드워드 J. 호프만 등이 단층 촬영 영상 기기와 기술을 더욱 발전시켰다.^[81][82]

1950년대부터 매사추세츠 종합 병원의 고든 브라우넬, 찰스 번햄과 동료들은 PET 기술 개발에 크게 기여했으며, 의료 영상화를 위한 소멸 방사선의 최초 시연을 했다.^[83] 1961년, 브룩헤이븐 국립 연구소의 제임스 로버트슨과 동료들은 "머리 축소기"라는 별명이 붙은 최초의 단일 평면 PET 스캔을 제작했다.^[84]

PET 영상 발전에 중요한 요인 중 하나는 방사성의약품의 개발이었다. 특히, 브룩헤이븐 그룹이 개발한 2-플루오로데옥시-D-글루코스(FDG)의 표지 개발은 PET 영상의 범위를 확장하는 데 주요 요인이었다.^[86] 1976년 8월, 애바스 알라비는 펜실베이니아 대학교에서 두 명의 정상적인 인간 지원자에게 FDG를 처음으로 투여했다.

1970년대, 워싱턴 대학교 세인트루이스 의과대학 연구팀은 1972년에 개발된 컴퓨터단층촬영술로부터 영감을 받아 PET를 개발했다.^[103][104] 자기공명영상(MRI)도 이 시기에 발명되었다.

최초의 다중 슬라이스 원통형 배열 PET 스캐너는 1974년 말린크로드 방사선 연구소에서 테르-포고시안 그룹에 의해 완성되었다.^[90]

데이비드 타운센드와 로널드 너트가 개발한 PET-CT 스캐너는 2000년 ''타임''에 의해 올해의 의료 발명품으로 선정되었다.^[91]

4. 응용

양전자 방출 단층촬영(PET)은 전임상 및 임상 환경에서 사용되는 의료 및 연구 도구이다. 종양 영상과 전이를 찾는 데 임상 종양학 분야에서 널리 사용되며, 다양한 유형의 치매를 유발하는 질병과 같은 특정 확산성 뇌 질환의 임상 진단에도 사용된다.

PET는 정상적인 인간의 뇌, 심장 기능에 대한 지식을 배우고 향상시키며 약물 개발을 지원하는 귀중한 연구 도구이다. 또한 동물을 이용한 전임상 연구에도 사용된다. 이를 통해 시간이 지남에 따라 동일한 피험자에 대한 반복적인 조사가 가능하며, 피험자가 자체적으로 대조군 역할을 할 수 있어 특정 연구에 필요한 동물의 수를 실질적으로 줄일 수 있다.

PET 스캔은 관련된 조직의 유형과 기능에 따라 흡수율이 다른 방사성 표지 분자 프로브를 사용하여 생화학적 과정뿐만 아니라 일부 단백질의 발현도 감지한다. PET 영상은 전용 PET 스캐너를 사용하여 가장 잘 수행되지만, 일치 검출기가 장착된 기존 듀얼 헤드 감마 카메라를 사용하여 얻을 수도 있다.

의료 영상의 대체 방법으로는 단일 광자 방출 전산화 단층 촬영(SPECT), 전산화 단층 촬영(CT), 자기 공명 영상(MRI) 및 기능적 자기 공명 영상(fMRI), 초음파 등이 있다. SPECT는 PET와 유사한 영상 기술로, 방사성 리간드를 사용하여 신체의 분자를 감지하지만, PET보다 저렴하고 이미지 품질이 떨어진다.

그 외 PET의 다양한 응용 분야는 다음과 같다.

• 감염 영상화: 분자 영상 기술을 이용한 감염 영상화는 진단과 치료 추적 관찰을 향상시킬 수 있다. 임상적으로 PET는 감염 관련 염증 반응을 식별하기 위해 FDG를 사용하여 세균 감염을 영상화하는 데 널리 사용되어 왔다. 생체 내 세균 감염을 영상화하기 위해 세 가지 다른 PET 조영제가 개발되었으며, 이는 [¹⁸F]말토스,^[32] [¹⁸F]말토헥사오스 및 [¹⁸F]2-플루오로데옥시소르비톨 (FDS)이다.^[33] FDS는 장내세균과만을 표적으로 할 수 있다는 추가적인 이점이 있다.
• 생체 분포 연구: 전임상 시험에서 새로운 약물에 방사성 동위원소를 표지하여 동물에게 주입할 수 있다. 이러한 스캔을 생체 분포 연구라고 한다. 약물 흡수, 잔류 및 제거에 대한 정보는 동물을 죽여 해부하는 이전 기술에 비해 빠르고 비용 효율적으로 얻을 수 있다.
• 소동물 PET: 소형 동물 PET은 완전히 의식이 있는 쥐를 스캔할 수 있을 정도로 작게 제작되었다.^[35] 이 RatCAP(쥐 의식 동물 PET)은 마취의 혼란스러운 영향 없이 동물을 스캔할 수 있게 해준다.
• 수의학 PET: UC 데이비스 수의과대학은 2018년에 임상(연구가 아닌) 동물 진단을 위한 스캐너로 소형 임상 PET 스캐너를 처음으로 사용한 수의학 센터가 되었다.
• 근골격계 영상: PET 영상은 근육과 뼈의 영상 촬영에 사용되어 왔다. FDG는 근육 영상에 가장 일반적으로 사용되는 추적자이며, NaF-F18은 뼈 영상에 가장 널리 사용되는 추적자이다.
• 근육: PET는 운동 중 골격근을 연구하기 위한 실행 가능한 기술이다.^[36] PET는 근전도 검사법과 비교하여 내측광근 및 최소 둔근과 같은 깊은 근육에 대한 근육 활성화 데이터를 제공할 수 있다. 그러나 단점은 PET가 운동이 완료된 후에 측정해야 하기 때문에 근육 활성화에 대한 타이밍 정보를 제공하지 못한다는 것이다.^[37]
• 뼈: 뼈 영상 PET는 [¹⁸F]플루오린화나트륨과 함께 60년 동안 정적 및 동적 스캔을 사용하여 국소 뼈 대사 및 혈류를 측정하는 데 사용되어 왔으며, 최근 뼈 전이 연구를 시작했다.^[38]
• 면역-PET: 방사성 동위원소 ⁸⁹Zr은 PET 카메라를 사용하여 분자 항체의 추적 및 정량화에 적용되어 왔다(이 방법을 "면역-PET"라고 한다).^[50][51][52]

4. 1. 종양학

4. 2. 신경 영상

• 포도당 대사량을 측정하고자 할 때에는 추적자로 ¹⁸F-플루오로데옥시글루코스^영어 (FDG)를 주로 사용한다. ¹⁸F-FDG^영어는 포도당과 유사한 물질에 방사성 불소(¹⁸F)를 붙인 것으로, 체내에서는 포도당과 마찬가지로 흡수되지만, 포도당과 달리 ¹⁸F-FDG^영어는 소변과 함께 신장, 요관, 방광을 통해 체외로 배설된다.^[96][97]
• 뇌 혈류량이나 산소 대사량 측정에는 추적자로 ¹⁵O로 표지한 H₂O, CO₂, O₂ 등을 사용한다.

4. 3. 심장학

4. 4. 기타 응용

• 감염 영상화: 분자 영상 기술을 이용한 감염 영상화는 진단과 치료 추적 관찰을 향상시킬 수 있다. 임상적으로 PET는 감염 관련 염증 반응을 식별하기 위해 FDG를 사용하여 세균 감염을 영상화하는 데 널리 사용되어 왔다. 생체 내 세균 감염을 영상화하기 위해 세 가지 다른 PET 조영제가 개발되었으며, 이는 [¹⁸F]말토스,^[32] [¹⁸F]말토헥사오스 및 [¹⁸F]2-플루오로데옥시소르비톨 (FDS)이다.^[33] FDS는 장내세균과만을 표적으로 할 수 있다는 추가적인 이점이 있다.
• 생체 분포 연구: 전임상 시험에서 새로운 약물에 방사성 동위원소를 표지하여 동물에게 주입할 수 있다. 이러한 스캔을 생체 분포 연구라고 한다. 약물 흡수, 잔류 및 제거에 대한 정보는 동물을 죽여 해부하는 이전 기술에 비해 빠르고 비용 효율적으로 얻을 수 있다. 일반적으로, 표적 작용 부위에서의 약물 점유율은 비표지 약물과 방사성 표지 화합물의 경쟁 연구를 통해 해당 부위에 특이적으로 결합함으로써 간접적으로 추론할 수 있다. 단일 방사성 리간드를 사용하여 동일한 표적에 대한 많은 잠재적 약물 후보를 테스트할 수 있다. 관련 기술로는 약물이 자연 발생 물질의 방출을 유발함을 입증하기 위해 특정 수용체에서 내인성 (자연 발생) 물질과 경쟁하는 방사성 리간드로 스캔하는 것이 있다.^[34]
• 소동물 PET: 소형 동물 PET은 완전히 의식이 있는 쥐를 스캔할 수 있을 정도로 작게 제작되었다.^[35] 이 RatCAP(쥐 의식 동물 PET)은 마취의 혼란스러운 영향 없이 동물을 스캔할 수 있게 해준다. 설치류의 영상을 전문적으로 촬영하도록 설계된 PET 스캐너는 마이크로PET이라고도 하며, 소형 영장류용 스캐너도 학술 및 제약 연구를 위해 판매되고 있다. 이 스캐너는 단일 칩 실리콘 광전자증배관을 사용하는 시스템을 통해 초소형 신틸레이터와 증폭된 애벌런치 포토다이오드(APD)를 기반으로 한다.^[1]
• 수의학 PET: UC 데이비스 수의과대학은 2018년에 임상(연구가 아닌) 동물 진단을 위한 스캐너로 소형 임상 PET 스캐너를 처음으로 사용한 수의학 센터가 되었다. 비용과 더불어 반려동물에서 암 전이를 감지하는 것의 한계 효용(이 방식의 주된 사용 목적) 때문에, 수의학 PET 스캔은 당분간은 거의 이용할 수 없을 것으로 예상된다.
• 근골격계 영상: PET 영상은 근육과 뼈의 영상 촬영에 사용되어 왔다. FDG는 근육 영상에 가장 일반적으로 사용되는 추적자이며, NaF-F18은 뼈 영상에 가장 널리 사용되는 추적자이다.
• 근육: 양전자 방출 단층촬영(PET)은 운동 중 골격근을 연구하기 위한 실행 가능한 기술이다.^[36] 또한, PET는 피부 바로 아래의 얕은 근육에만 사용될 수 있는 근전도 검사법과 비교하여 내측광근 및 최소 둔근과 같은 깊은 근육에 대한 근육 활성화 데이터를 제공할 수 있다. 그러나 단점은 PET가 운동이 완료된 후에 측정해야 하기 때문에 근육 활성화에 대한 타이밍 정보를 제공하지 못한다는 것이다. 이는 활성화된 근육에 FDG가 축적되는 데 시간이 걸리기 때문이다.^[37]
• 뼈: 뼈 영상 PET는 [¹⁸F]플루오린화나트륨과 함께 60년 동안 정적 및 동적 스캔을 사용하여 국소 뼈 대사 및 혈류를 측정하는 데 사용되어 왔습니다. 연구자들은 최근 [¹⁸F]플루오린화나트륨을 사용하여 뼈 전이 연구를 시작했다.^[38]
• 면역-PET: 방사성 동위원소 ⁸⁹Zr은 PET 카메라를 사용하여 분자 항체의 추적 및 정량화에 적용되어 왔다(이 방법을 "면역-PET"라고 한다).^[50][51][52] 항체의 생물학적 반감기는 일반적으로 며칠 정도이며, 예를 들어 다클리주맙 및 에레누맙을 참조할 수 있다. 몸 안에서 이러한 항체의 분포를 시각화하고 정량화하기 위해, PET 동위원소 ⁸⁹Zr이 적합하다.

5. PET-CT 및 PET-MRI

PET-CT는 PET와 CT를 결합한 장비로, 해부학적 정보와 대사 정보를 함께 얻을 수 있어 유용하다. 최신 PET 스캐너는 고급 멀티 검출기 배열 CT 스캐너와 통합되어 제공되며(PET-CT), 동일한 세션에서 두 스캔을 순차적으로 수행할 수 있다. 환자는 위치를 변경하지 않아도 되므로 두 영상이 정확하게 등록되어, PET 영상의 이상 부위가 CT 영상의 해부학적 구조와 더욱 완벽하게 연관된다. 이는 움직이는 장기나 구조의 상세한 뷰를 보여주는 데 매우 유용하다.

율리히 연구소에서는 2009년 4월 세계 최대 규모의 PET-MRI 장치가 가동을 시작했다. 이 장치는 9.4-테슬라 MRI 장치와 PET가 결합된 것이다. 현재 이러한 높은 자기장 세기에서는 머리와 뇌만 영상화할 수 있다.^[72] 뇌 영상의 경우, N-로컬라이저라는 장치를 사용하여 통합 PET-CT 또는 PET-MRI 스캐너 없이 CT, MRI 및 PET 스캔을 등록할 수 있다.^{[73][74][75][76]}

6. 안전성 및 한계

PET 검사는 비침습적이지만, 전리 방사선에 노출된다는 단점이 있다.^[3] 현재 PET 신경 영상 및 암 환자 관리에 사용되는 표준 방사성 추적자인 FDG는^[39] 약 7.6 mSv의 유효 방사선량을 갖는다.^[5]

FDG의 방사선량은 미국 콜로라도주 덴버에서 1년을 보내는 것과 비슷한 유효 방사선량(12.4 mSv/년)이다.^[40] 다른 의료 절차의 방사선량은 흉부 X선의 경우 0.02 mSv에서 흉부 CT 스캔의 경우 6.5–8 mSv까지 다양하다.^[41][42] 평균 민간 항공 승무원은 연간 3mSv에 노출되며,^[43] 미국의 핵 에너지 작업자에 대한 전신 직업적 선량 한도는 연간 50mSv이다.^[44] PET-CT 스캔의 경우, 방사선 노출이 상당할 수 있으며, 약 23–26 mSv이다(70 kg의 사람의 경우, 체중이 더 높을수록 선량이 더 높을 가능성이 있다).^[45][46]

단시간 생존 방사성 핵종의 사용은 피검자의 방사선량을 최소화하는 매력적인 특징을 가지고 있다. PET는 진단 기술로서의 확립된 역할 외에도, 특히 암 치료와 같은 치료 반응을 평가하는 방법으로 그 역할이 확대되고 있으며,^[77] 질병 진행에 대한 정보 부족으로 인한 환자의 위험이 검사 방사선으로 인한 위험보다 훨씬 크다. 추적자는 방사성이 있으므로 노인과 임산부는 방사선으로 인한 위험 때문에 사용할 수 없다.

PET의 광범위한 사용에 대한 제한 사항은 PET 스캔을 위한 단시간 생존 방사성 핵종을 생산하는 데 필요한 사이클로트론의 높은 비용과 방사성동위원소 준비 후 방사성의약품을 생산하기 위해 특별히 적응된 현장 화학 합성 장치의 필요성에서 비롯된다. 양전자 방출 방사성동위원소를 포함하는 유기 방사선 추적자 분자는 먼저 합성한 다음 방사성동위원소를 그 안에 준비할 수 없다. 방사성동위원소를 준비하기 위한 사이클로트론 폭격은 그 안에 있는 모든 유기 운반체를 파괴하기 때문이다. 대신, 동위원소를 먼저 준비한 다음, 동위원소가 붕괴되기 전 짧은 시간 안에 유기 방사선 추적자(예: FDG)를 준비하기 위한 화학 반응을 매우 빠르게 수행해야 한다.

이러한 시스템을 유지할 수 있는 병원과 대학은 거의 없으며, 대부분의 임상 PET는 여러 사이트에 동시에 공급할 수 있는 방사선 추적자의 제3자 공급업체가 지원한다. 이러한 제한 사항으로 인해 임상 PET는 주로 반감기가 110분으로 사용 전에 적절한 거리를 수송할 수 있는 플루오린-18로 표지된 추적자 또는 휴대용 발생기에서 생성되어 심근 관류 연구에 사용되는 반감기 1.27분의 루비듐-82 염화물로 사용되는 루비듐-82로 제한된다. 최근 몇 년 동안 통합된 차폐 및 "핫 랩"(방사성동위원소와 함께 작동할 수 있는 자동화된 화학 실험실)이 있는 몇 개의 현장 사이클로트론이 원격 병원의 PET 장치에 부착되기 시작했다. 소형 현장 사이클로트론의 존재는 원격 PET 기계로의 동위원소 운송 비용이 높아 사이클로트론이 축소됨에 따라 미래에 확장될 것으로 예상된다.^[78]

플루오린-18의 반감기는 약 2시간이므로, 이 방사성 핵종을 함유한 방사성의약품의 준비된 투여량은 작업일 동안 여러 번의 반감기 붕괴를 겪게 된다. 이로 인해 남아있는 투여량(단위 부피당 활성도 결정)의 빈번한 재보정과 환자 스케줄링에 대한 신중한 계획이 필요하다.

CT나 MRI가 주로 조직의 형태를 관찰하는 검사인 반면, PET는 SPECT 등 다른 핵의학 검사와 마찬가지로 생체의 기능을 관찰하는 데 특화된 검사법이다. 암 진단에 이용되기도 한다. 환자에 대한 피폭량은 CT에 비해 적지만, 의료진의 피폭량에 주의가 필요하다. PET/CT 장치를 이용한 검사의 경우 피폭량이 CT에 비해 커지는 경우가 있다.

CT와 PET를 비교하면, CT에서는 외부에서 X선을 조사하여 전체적인 모습을 관찰하는 데 반해, PET 등의 핵의학 검사에서는 생체 내부의 방사성 추적자를 관찰한다는 차이가 있다. CT 영상은 해부학적인 정보에 뛰어나므로 형태 영상이라고 불리고, PET 영상은 생리학적인 정보에 뛰어나므로 기능 영상(functional image)이라고 불린다. PET와 CT를 일체화한 PET-CT 장치를 이용한 검사의 경우, 1회 검사에서의 방사선 피폭은 23–26 mSv가 된다 (체중 70 kg 기준)^[100]。이에 비해, 방사선 진료에서의 대표적인 X선 검사에서의 피폭량은, 흉부 0.04mSv, 복부 1.2mSv, 상부 소화관 8.7mSv, 흉부 CT 7.8mSv, 복부 CT 7.6mSv이다^[101]。일본에서는, 인체는 자연계로부터 연간 2.1mSv 전후의 피폭을 받고 있다 (2011년 추정)^[102]。

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