Ⅰ. 서 론
인체에 대한 투과력이 상대적으로 강한 전리방사선을 이용 하는 PET(positron emission tomography)과 CT(computed tomography)는 인체의 해부학적 구조와 기능 그리고 생화 학적 대사 특성을 평가하는 가장 대표적인 단층영상촬영 기 술로 그 동안 널리 사용되었다[1]. 핵의학 영상 획득과정에 서 필연적으로 발생하는 감마선의 감쇠를 정확하게 보정하 고, 인체의 해부학적 정보를 보완함으로써 진단 가치를 향 상시키기 위한 노력은 오랫동안 시도되었다[2,3]. 그 결과 핵의학 PET에 영상의학의 CT를 융합함으로써 감마선의 인 체 내 감쇠를 정확하게 보정하고, 생리적-생화학적 정보와 함께 해부학적 정보를 부가함으로써 보다 정확한 영상정보 를 제공하는 방향으로 진보하고 있으며[4], 따라서 임상핵 의학에서 활용도가 증가하고 있다[5]. 이와 같이 PET은 핵 의학에서 지속적으로 발전하고 있는 진단영상기술로서 인 체의 질환에 대한 중요한 의료정보를 제공할 수 있으므로, 조기진단 및 미세한 변화를 생화학적 대사 이상의 변화를 비침습적으로 비교적 간단하고 정확하게 정량화할 수 있으 며, 각종 장기의 정상 대사 분석 등을 연구할 수 있다[6,7].
최근 양전자 방출 핵종 생산을 위한 의료용 소형 사이클 로트론과 PET 스캐너의 섬광체 및 반도체 검출소자 등이 개 발되어 임상에 적용되고 있으며[8], 영상재구성 알고리즘의 개발 및 의료영상 필터의 성능향상과 새로운 PET 전용 방사 성의약품의 개발 등이 복합적으로 이루어지면서 핵의학에 서 PET의 활용은 점진적으로 증가할 것으로 판단된다[9].
수소 원자핵의 자기적 특성을 이용한 MRI(magnetic resonance imaging)는 PET이 제공하는 생화학적 정보와 CT가 지닌 우수한 공간분해능의 장점을 고루 갖춘 영상 진 단 기기로서 근본적으로 방사선에 노출되지 않으며, 특히 연부조직에 대한 대조도가 우수하므로 두경부암 등의 진단 에 보편적으로 활용되고 있다[10,11]. 최근 고자장 내에서도 동작하는 기기들이 개발되면서 그 동안 한계로 받아들여졌 던 PET과 MRI가 일체형 시스템으로 개발되면서, 기존의 영 상 장비들과 비교하여 임상적용에 관한 많은 연구가 진행되 고 있다[12-14].
PET에서 주로 사용하는 정량분석 지표인 SUV(standardized uptake value)는 종양에서 방사성의약품의 섭취 정도에 대하 여 가장 흔히 사용되는 반정량 평가 지표이다[15-17]. SUV 는 PET에서의 방사성의약품의 섭취를 정량화하기 위해 최 대 병소 섭취값을 이용하는데, 핵의학에서 이용되는 반정량 적인 방법으로 정상조직과 종양조직들 간의 방사성동위원 소 섭취 비율을 측정할 수 있고, 인체 내에 주입한 방사성 의약품이 균등하게 섭취되는 가정 하에 종양 내의 분포가 평균보다 높게 섭취되는 정도를 평가하기 위한 하나의 지표 이다[18-20]. 최근 일체형 PET-MRI가 임상에서 여러 암 진단에 활용되면서 기존의 PET-CT의 SUV와 상관관계에 따른 연구가 보고되고 있다[21-22]. 두 스캐너는 핵의학 분 야에서 활용도가 높은 의료장비이지만 감쇠보정의 원리가 근본적으로 다르고, 영상획득 원리에 따라 구조적인 차이가 필연적으로 존재할 수밖에 없다[23]. 또한 PET-CT에서 적 용하는 영상 재구성방법이 그대로 PET-MRI에 적용할 수 없는 부분도 있으며, 반면 MRI 시퀀스에 따른 영상구현방 법을 CT로 재현하기에는 분명한 한계가 있다[24].
진단의 정확도와 재현성 그리고 암 환자의 치료 경과에 따른 추적조사를 위해 같은 환자가 두 스캐너로 검사하는 경우 이러한 차이점의 제한점을 판단하여 진단해야 한다. 따라서 임상적 정보 제공을 위해 대표적인 핵의학 융합영상 장비인 PET-CT와 PET-MRI의 영상획득원리의 차이에 따 른 SUV의 상관관계를 분석하였다.
Ⅱ. 대상 및 방법
1. 실험대상
서울 소재 대학병원에서 PET-CT와 PET-MRI 검사를 모 두 시행한 환자 30명(남성 16명, 여성 14명)을 대상으로 시행 하였다. 평균 연령은 53.72±6.23세, 평균 신장은 165.32± 7.24 ㎝, 평균 체중은 64.73±5.87 ㎏이었으며, 금식과 혈 당수치 등 PET검사를 시행하는 모든 전처치를 동일하게 적 용하였다. 환자는 당분 섭취를 방지하기 위해 6시간 이상 금식하였고, 특정 근육에 비정상적인 방사성의약품의 섭취 를 차단하기 위해 실험 2일 전부터 격렬한 운동을 금지하였 으며, 정상 체온을 유지시켰다[25].
당뇨 질환이 있는 환자는 실험에서 배제하였으며, 공복 시 BST(blood sugar test) 80-120 ㎎/㎗, BMI(body mass index) 18.5-23.5 범위에 해당하는 환자만을 선별하였다[26]. 임신 중이거나 임신 가능성이 있는 환자의 경우도 실험에서 배제하였다.
2. 방사성의약품
싸이클로트론에서 합성 및 품질 검증을 마친 18F-FDG (fluorine-fluoro deoxy glucose)를 체중 1kg당 5.18 MBq 을 환자에게 정맥주사 후 시각 및 청각 자극이 없는 곳에서 1시간 안정을 취하게 하였다. 1시간 안정을 취하면서 수분 섭취를 위해 생수 500㎖를 경구 투여하였다[27].
3. 실험장비
30명의 실험대상을 일체형 장비인 BiographTM mMR 3T(siemens, munich)를 사용하여 PET-MRI 스캔을 하였 다. PET-MRI 스캔이 끝난 후 환자는 화장실에서 소변을 비우고, Biograph mCT 64(siemens, germany)를 사용하 여 바로 PET-CT 스캔을 하였다. 즉, PET-MRI 스캔을 먼 저 시행하고, 지연시간 없이 연속하여 PET-CT 스캔을 시 행하였다. 두 스캐너 모두 머리에서 무릎(torso)까지 설정 하여 스캔을 하였으며, 정확한 비교 실험을 위해 조영제를 투여하지 않았다[28], (Fig. 1).
4. 영상획득 및 재구성 조건
두 스캐너의 구조적인 차이를 제외하고 최대한 같은 조건으 로 최적화하여 실험하였으며, 영상을 재구성하는 과정에서도 최적화된 매개변수를 설정하여 실험하였다[29], (Table 1).
5. 통계분석
각 실험 데이터의 상관관계를 객관화하기 위해 평균과 표 준편차를 이용한 기술통계분석을 시행하고, 추리통계분석인 paired t-test 모수검정법을 적용하여 유의수준(α=0.05) 95% 신뢰구간에서, P value가 0.05 미만일 때 유의미한 차이 가 있는 것으로 판단하여 실험의 통계적 의미가 있는 것으로 확인하였다. 모든 자료의 통계처리는 SPSS ver. 20(SPSS Inc. USA) 프로그램을 사용하였다.
Ⅲ. 결 과
1. 자료측정
환자의 PET 영상을 각각 CT와 MRI의 감쇠보정기법을 적용하여 재구성한 후, 관상면 영상에서 방사성의약품이 균 등하게 분포한 간 부분에 동일하게 입체 관심영역(volume of interest)을 설정하였다[30]. SUV는 환자의 혈당수치가 높은 경우에는 종양으로의 방사성의약품의 섭취가 감소되 며, 인슐린 수치가 높은 경우에는 근육이나 지방의 방사성 의약품 섭취가 증가되어 상대적인 종양의 섭취가 감소하게 된다. 임상 핵의학에서는 종양의 종류와 조직에 따라 다르 지만 일반적으로 SUV가 2-2.5 이상인 경우를 악성 종양으 로 평가할 수 있다[31]. 따라서 SUV는 방사성의약품의 섭취 가 어디까지나 종양의 섭취정도를 반영하는 것이므로 종양 에 언제나 특이적인 것은 아니고, SUV는 섭취 정도를 반정 량적으로 수치화한 것으로 정량적인 자료와는 차이가 있을 수 있다. 그리고 SUV는 다양한 요인에 의해 영향을 받고 달 라질 수 있으므로 평가 시에 주의해야 한다[32]. 전리방사 선을 이용하여 감쇠보정을 하는 PET-CT와 자기공명현상을 이용하여 수소의 신호를 통해 감쇠보정을 하는 PET-MRI 는 감쇠보정의 차이가 있다. 또한 두 스캐너는 PM(photo multiplier)-tube와 APD(avalanche photodiode)와 같은 검출기의 차이와 함께 영상재구성방법에 차이가 있으므로, 동일 환자의 SUV에 차이가 있을 수 있다. 따라서 이러한 오 차를 최소한으로 유지하기 위해 분석프로그램(workstation syngo-via, siemens, germany)을 이용하여 입체 관심영역 의 SUV 최소 기준 역치를 40%로 설정하고, Auto Masking 기능을 통해 주관적 요소를 배제한 후 SUVmax의 평균과 표 준편차를 이용하여 계측하였다(Fig. 2).
2. 표준섭취계수
표준섭취계수는 인체의 종양에서 FDG와 같은 방사성의 약품의 섭취 정도에 대하여 가장 흔하게 사용되는 핵의학적 반정량지표이다. 인체에 투여한 방사성의약품이 균일하게 분포하고, 동시에 배설되지 않은 경우의 조직 방사능을 ‘1’ 로 기준하여 관심영역(region of interest; ROI)의 방사능 이 몇 배인가를 나타낸 것이다. 따라서 환자의 체중, 방사성 의약품의 투여량과 투여 시간, PET 스캐너와 방사성의약품 의 용량 보정치의 교정 등이 필요하다(Eq. 1).
이러한 SUV의 정확한 측정을 위해 핵의학 영상은 감마선 의 체내 방출 과정에서의 감쇠에 대한 보정이 필요하다. 특 히 SUV와 같은 정량지표를 측정하기 위해서는 더욱 중요하 다. PET-CT는 전리방사선을 이용하여 원자번호가 높은 물 질에서의 감쇠지도(u-map)를 비교적 충실하게 구현할 수 있 는 반면, PET-MRI는 자기공명에 의한 체내 수소원자의 스 핀운동에 따른 신호를 통해 원자번호가 낮은 물질에서의 감 쇠지도를 Body TIM(total imaging matrix) 코일과 VIBE (volumetric interpolated breath-hold examination)-Dixon 시퀀스를 적용하면 체간부의 감쇠지도를 구할 수 있다[33]. 따라서 이러한 영상획득 및 감쇠보정의 차이로 인해 SUV의 측정에 영향을 미칠 수 있다(Fig. 3).
최근 고자기장 조건에서 작동할 수 있는 APD 검출기가 장착 된 일체형 PET-MRI가 임상에서 본격적으로 사용되고 있지만, 고자기장의 영향으로 기존의 PET-CT에서 SNR(signal to noise ratio)의 개선을 위한 TOF(time of flight)와 공간분해능 향상을 위한 PSF(point spread function)의 기술은 적용할 수 없다[34]. 이러한 이유로 PET-CT와 PET-MRI 두 장비로 실험한 30명 환자의 liver SUVmax는 각각 평균 2.94±0.55, 2.45±0.52이었다. 즉 CT를 기반으로 감쇠 보정을 한 PET-CT 의 영상보다 MRI를 기반으로 감쇠 보정을 한 PET-MRI의 SUVmax가 –20.85±7.26% 낮게 측정되었다(Fig. 4), (Table 2).
통계분석결과 두 스캐너의 SUVmax는 유의한 차이가 있었 다(P<0.001). 따라서 PET-CT와 PET-MRI의 SUV는 동일 한 수준에서 임상적 의미를 표현할 수 없으며, 이로 인해 환 자를 진단함에 있어 차이를 고려해야한다. Table 3
Ⅳ. 고 찰
이번 연구는 핵의학에서 물리적, 생물학적으로 다른 원리 로 단층 영상을 획득하는 PET-CT와 PET-MRI를 대상으로 실험하였다. PET은 핵의학 단층영상기술의 하나로 11C, 13N, 15O, 18F와 같은 양성자 과잉 상태의 불안정한 원자핵을 포함 한 방사성의약품을 인체에 투여하여 영상을 획득한다. 인체 내 분포된 방사성 핵종은 베타붕괴를 통해 안정화 되는 과정 속에서 감마선이 아닌 양전자를 방출한다. 방출된 양전자는 매우 짧은 거리를 인체 내에서 이동하면서 운동에너지를 상실 하여 정지하고, 전자와 충돌하여 소멸반응(annihilation)이 일어난다. 이 과정에서 두 전하를 띤 입자가 해당되는 질량을 손실하면서 511 keV의 에너지를 갖는 두 개의 감마선을 약 180°(±0.25) 방향으로 방출하게 되고, 이것을 섬광체와 광전 자증배관 등으로 검출하여 재구성 과정을 통해 영상을 획득한 다[35]. 실험에 사용한 PET-MRI는 3T의 고자장 MRI가 장착 되었으며 LSO(Lu2SiO5, lutetium Oxyorthosilicate) 신틸 레이터 28,672개로 구성되어 있다. 또한 실험에 사용한 PET-CT는 straton X-ray tube를 사용한 64채널 CT가 장착 되었으며, 4×4×20 ㎜의 LSO 신틸레이터가 8×8로 정렬되고 뒤쪽으로 2×2 정렬된 PM-tube를 하나의 세트로 구성된 block detector가 192개 내장되어있다. 따라서 자기공명현 상을 이용한 MRI와 전리방사선을 이용한 CT를 통해 획득한 감쇠지도는 근본적으로 같은 효과를 나타낼 수 없다. 또한 연부조직의 공간분해능이 우수한 MRI와 원자번호가 높은 물 질에서 공간분해능이 우수한 CT의 융합영상은 진단의 목적 에 따라 적용 영역이 다르다. 이와 관련된 연구에 따르면 PET-MRI의 SUV는 PET-CT와는 독립적으로 판단되어야 한다는 보고가 있다[36,37]. 따라서 SUV와 같은 정량분석지 표는 물리적, 기계적으로 다른 영상장비로 동일하게 측정할 수 없으며, 유의한 수준에서 고려하여 진단에 활용하기에 다 소 무리가 있다. 본 연구는 환자를 대상으로 실험한 것으로 환자의 움직임과 두 가지 검사를 위한 환자의 이동 및 시간에 따른 방사능의 변화 등에 의한 영향이 있을 수 있으므로, 팬텀 을 이용한 추가 실험으로 보완이 필요할 것으로 사료된다.
Ⅴ. 결 론
전리방사선을 이용하는 CT와 자기공명현상을 이용하는 MRI의 감쇠보정 방법과 PET의 SNR 기법인 TOF의 적용여 부, PET detector의 차이 등에 따라 핵의학에서 사용하는 반정량분석 지표인 SUV의 결과가 다르게 측정되는 것을 확 인할 수 있었다. 또한 현재까지 개발된 MRI의 감쇠지도 생 성에 관여하는 VIBE-Dixon과 UTE와 같은 감쇠 보정용 시 퀀스가 인체의 모든 조직이 선흡수계수를 절대적으로 구현 하지 못하는 한계가 있다는 사실도 확인할 수 있었다. 따라 서 PET-CT와 PET-MRI로 교차 추적 검사하는 경우의 환 자라면 SUV의 차이에 관한 조건을 고려하여 진단정보를 분 석해야 할 것으로 사료된다.
