Ⅰ. 서 론
단일광자방출전산화단층촬영(Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT)은 X, Y축 방향의 정보만 을 구현하는 평면영상과는 다르게 X, Y, Z축 방향의 3차원 적 정보를 단층영상으로 구현할 수 있다[1]. 또한 평면영상 에 비해 감도와 분해능이 우수하고, 인체의 해부학적 구조 를 크기와 부피 및 양의 정보로 제공할 수 있으며, 질환에 대하여 정량적으로 분석이 가능하다[2]. SPECT는 공간점유 물에 대한 부가적인 정보를 보다 자세하게 제공하며, 이와 동시에 주변의 해부학적 구조물과의 위치적 상관관계를 통 해 병변 감별에 도움을 주기 때문에 진단의 정확도와 예민 도 및 특이도를 향상시킬 수 있다[3]. 이와 같은 이유로 임 상 핵의학 분야에서 심장, 뼈, 폐, 종양 등 다양한 질환 진단 목적으로 이용하고 있으며, 특히 뇌출혈, 뇌종양, 간질, 치 매, 파킨슨 및 알츠하이머 질환 등 뇌 혈류 관련 질환의 진 단 및 감별과 이에 따른 치료 계획과 예후 판정을 목적으로 임상 뇌 관류 SPECT(Brain Perfusion SPECT)를 활발하게 시행하고 있다[4-6]. SPECT는 방사성 추적자의 뇌 분포를 통해 생화학적 및 생물학적 반응과정을 영상화하고, 정량적 으로 분석함으로써 정상적인 뇌 기능을 비교하여 뇌 질환의 병리학적 변화와 생리이상을 진단할 수 있다[6]. 의학적으 로 정상인의 뇌 관류 SPECT는 횡단면 영상에서 추적자의 분포는 좌·우 대칭으로 나타나고, 방사능은 소뇌와 대뇌 피질, 회백질에 상대적으로 높게 나타나며, 기저핵과 시상 에서도 높은 섭취가 관찰된다[7]. 그러므로 뇌 관류 SPECT 영상은 미세한 혈류변화의 정도를 민감하고 정확하게 구현 해야 진단성능을 보장할 수 있다. 이와 같은 뇌 관류 SPECT 스캐너(Scanner)는 감마카메라를 기반으로 구성하는데 임 상 핵의학에서는 두 개 혹은 세 개의 감마카메라로 구성된 SPECT 스캐너를 이용하고 있다. 감마카메라는 콜리메이터 (Collimator), 신틸레이터(Scintillator), 광전자증배관 등 으로 구성되는데[1], 감마카메라를 구성하는 모든 파트들이 최상의 성능으로 작동되어야만 정확한 진단 성능을 발휘할 수 있다[8]. 이상적인 감마카메라는 전체 시야의 모든 영역 에 걸쳐 균일한 광자가 입사될 때 영상의 모든 부분에 균일 한 계수로 나타나야 한다[9]. 그러나 관련 연구에 따르면 실 제 대부분의 경우 신틸레이터의 모든 지점의 계수치를 분석 해보면 약 10-15%의 변동폭이 있으며, 그 결과 필연적으로 시스템의 불균일성으로 나타나게 된다[10]. 전체 시야 영상 에서 나타나는 단위 면적 당 계수의 균일도는 광자 선속의 균일한 정도, 콜리메이터의 정렬도, 신틸레이터의 감응도 등 에 영향을 받는다. 또한 감마카메라의 공간분해능은 입사 광 자에 의해 발생한 신틸레이터에서의 섬광 발생 지점을 정확 하게 구현하는 시스템의 성능으로 콜리메이터의 효율, 산란 광자의 분포, 카메라의 고유 분해능, 광전자증배관의 신호 대 잡음비율 등에 의해 결정된다[10]. 그러므로 이상적인 뇌 관류 SPECT 영상을 획득하기 위해 감마카메라의 성능을 유지 하지 않으면 안된다. 국제방사선방호위원회(International Commission on Radiological Protection, ICRP)의 권고 140에 따르면 인체 방어의 최적화 및 방사성의약품의 환자 투여량의 제한과 최적의 핵의학 영상 및 치료를 위해 주기 적이며 일관적인 정도관리(Quality Control, QC)가 필수적 으로 이행되어야 한다[11]. 즉 최상의 핵의학 SPECT 스캐너 의 성능, 영상의 신뢰성 및 진단의 정확도를 확보하기 위해 매뉴얼 기반의 일관된 핵의학 시스템 정도관리가 필수적이 다[12]. 본 연구는 뇌 관류 SPECT의 진단성능 유지를 위해 감마카메라의 시스템 균일도 변화에 따른 SPECT 영상의 질 을 팬텀 연구를 통해 비교분석하였다.
Ⅱ. 대상 및 방법
1. SPECT 스캐너의 정도관리
실험에 사용한 SPECT스캐너는 NaI(Tl) 신틸레이터와 49개 의 광전자증배관으로 제작된 것으로 3개의 디텍터(Detector) 로 구성되어 acquisition angle/detector가 적으므로 뇌 혈류 검사시간을 단축시킬 수 있다. 또한 부채살형(Fan-Beam) 콜리메이터를 장착하여 높은 수준의 해상도를 구현할 수 있 으며, 획득한 광자 신호를 여과 후 역투영법(Filtered Back Projection, FBP)으로 재구성하여 뇌의 단층영상을 구현할 수 있다[13]. 이와 같은 이유로 임상에서 주로 뇌 혈류 질환 진단을 위한 전용 스캐너로 이용하고 있다. 본 연구는 서울 소재 대학병원 핵의학과에서 운영 중인 3중 헤드 SPECT 스 캐너(Triad XLT, Trionix, USA)의 대상으로 실험하였으 며, QC결과를 기반으로 시스템 균일도 변화에 따른 영상의 질을 분석하였다(Fig. 1).
임상에서는 주로 57Co(반감기: 272 days, 에너지: 122 keV, 방사능: 185 MBq))과 같은 방사성동위원소를 이용하여 일 간, 주간, 월간, 분기, 반기 등 일정 주기를 설정하여 균일 도, 공간분해능, 감도, 직선성 등의 항목을 측정한다[14]. 시스템 균일도는 유효시야(Useful Field of View, UFOV)와 중심시야(Central Field of View, CFOV)로 구분하여 적분균 일도(Integral Uniformity, IU) 및 미분균일도(Differential Uniformity, DU)를 측정하여 평가할 수 있다. 실험은 2022년 1월부터 7월까지 시행한 SPECT 스캐너 일일 정도관리 항목 중에서 3개 디텍터의 평균 균일도를 측정하고 가장 우수한 결과를 기준으로 6종류의 결과를 선정하였다[12, 15](Fig. 2). 이 때 균일도 정도관리는 미국전기공업협회(National Electrical Manufacturers Association, NEMA) 기준과 SPECT 스캐너 제조사의 권고사항을 기반으로 57Co Flood Sheet Source (185 MBq)를 이용하여 100 kcounts를 획득하여 외인성 방 법으로 시행하였다.
2. 팬텀과 방사성의약품
뇌 관류 SPECT 영상의 공간분해능을 객관적으로 평가하 기 위해 인체의 뇌를 모사한 Hoffman Multi Compartment 2D Brain 팬텀(BR/2D-MC/P, USA)을 대상으로 실험하였 다[16]. 팬텀은 뇌의 횡단면상을 기반으로 연부조직과 실질 부위를 나타낼 수 있으며, 회백질을 구현할 수 있는 공간점 유물로 제작되었다. 방사성의약품 투여를 통해 정상 회백질 -백질-뇌실의 방사능을 4:1:0의 비율로 조절하면 부분체적 효과를 반영한 실험을 할 수 있으며, 비정상 회백질-정상 회백질의 방사능을 0.25:1부터 100:1까지 구현할 수 있다 [17, 18]. 따라서 팬텀을 구성하는 구조물의 특성을 통해 인 체의 뇌 질환을 모사하여 방사성의약품의 집적 정도에 따라 양성상과 음성상으로 영상을 획득하여 공간분해능을 통해 영상의 질을 분석하였다[19](Fig. 3). SPECT는 인체에서 방출되는 단일광자를 수집한 후 영상을 재구성하여 인체 질 환을 진단한다. 따라서 실험에 사용한 방사성동위원소는 감 마선만을 방출하는 99mTc(반감기: 6.02 hours, 에너지: 140.51 keV) 25 MBq을 사용하였다. 실험당 방사능의 오차 감소를 위해 기체전리 우물형 전리조를 이용하여 방사능을 측정한 후 동일하게 팬텀에 투여하였다. 일반적으로 임상 핵의학에 서 뇌 관류 SPECT에 이용하는 표지화합물은 HMPAO(Hexa Methylene Propylene Amine Oxime, GE Healthcare, USA)로 뇌조직 추출율은 약 76%이며, 투여 후 약 60초 이 내에 뇌조직에 최대로 집적하게 된다[20]. 실험은 인체가 아닌 팬텀을 대상으로 진행하였기에 표지화합물을 통한 뇌 조직의 생리학적 변화정도를 관찰할 수 없는 제한점이 있 다. 실험목적은 스캐너의 시스템 균일도 변화에 따른 뇌 관 류 SPECT 영상의 질 평가이므로 생물학적-생화학적 조건 을 배제한 상황에서 물리적 조건만이 실험에 영향을 미치기 때문에 표지화합물 없이 순수한 방사성동위원소만으로 팬 텀 영상의 질에 유의한 영향을 미치지 않는다[21]. 그러나 실험의 오차를 감소시키고, 실제 임상에 근접한 스캔 조건 을 설정하기 위해 표지화합물을 방사성동위원소에 합성하 여 방사성의약품으로 제조한 후 팬텀에 주입하여 영상을 획 득하였다.
3. 영상획득과 재구성
실험의 객관성과 신뢰도 확보를 위해 임상 핵의학 인체 대상 뇌 관류 SPECT 검사 프로토콜을 기반으로 디텍터 회 전 조건, 전체 프로젝션 수, 방사성동위원소의 에너지 절정, 콜리메이터 등 팬텀 실험 조건을 동일하게 설정하여 영상을 6회 획득하였다[22](Table 1). 또한 실험을 통해 획득한 팬 텀 영상은 여과 후 역투영법과 필터 감쇠보정 적용 등 임상 조건과 동일하게 설정하여 횡단면으로 재구성하였다[23] (Table 2).
4. 자료분석
SPECT 스캐너의 공간분해능은 방사성의약품의 분포정 도가 영상의 미세한 부분을 재현할 수 있는 능력을 나타낸 다. 획득한 팬텀 영상에 관심영역을 동일하게 설정한 후 영 상분석 프로그램(image J, National Institutes of Health, USA)을 이용하여 히스토그램과 플롯 프로파일을 분석하였 다. 해당 영상의 실험결과에 대한 유의성 평가를 위해 다중 회귀분석(SPSS, ver. 22, IBM, USA) 통계방법을 이용하였 으며, 다중 상관계수와 유의확률(P<0.05)을 기준으로 스캐 너 디텍터의 균일도 변화에 따른 팬텀 영상의 공간분해능을 X축과 Y축으로 구분하여 분석하였다[24].
Ⅲ. 결 과
1. 정도관리 균일도
일반적으로 임상에서 SPECT 디텍터의 UFOV 및 CFOV 에 대한 균일도 QC 결과는 미분 균일도와 적분 균일도 두가 지 형태로 평가할 수 있다. FOV를 구성하는 매트릭스의 모 든 화소 중 최고 계수치와 최저 계수치를 측정한 후 미분과 적분을 통해 결과를 산출하여 정량분석한다[12](Eq. 1). 실험 대상 기관에서 시행한 정도관리 결과 UFOV의 미분균일도는 2.94%에서 9.27%까지였으며(5.06±2.67), 적분균일도는 1.98%에서 6.17%까지(3.18±1.70) 측정되었다. 또한 CFOV 의 미분균일도는 2.76%에서 7.61%까지였으며(4.46±2.07), 적분균일도는 1.98%에서 5.42%까지(3.01±1.43) 측정되었 다(Table 3).
[Eq. 1] When a mathematical equation is applied to the IU and DU results.
2. 팬텀 영상의 공간분해능
Hoffman 2D Brain 팬텀 영상을 분석프로그램을 이용하 여 X축과 Y축으로 구분하여 히스토그램과 플롯 프로파일을 분석하였다. 6개 영상의 관측자 오차를 배제하기 위해 뇌실 질 부위에서 혈류장해가 빈번하게 발생하여 팬텀에서도 뚜 렷한 양성상으로 표현되는 해부학적 구조물을 선정하여 관 심영역을 자동 설정하였으며, 공간분해능 평가를 위해 반 치폭(Full Width Half Maximum, FWHM)을 측정하였다. 관심영역의 프로파일 영상정보에서 최대 신호의 절반 지점 에 해당하는 곡선의 폭에 해당하는 픽셀정보를 측정하고 변 환 프로그램(UnitConverter Ver., Maple Tech International LLC, USA)을 통해 길이로 환산하여(1 pixel=0.26 ㎜) FWHM 을 측정하였다[19, 24]. SPECT 스캐너 디텍터의 균일도 변 화에 따른 팬텀 영상의 해상도는 육안적 평가에서도 구분이 가능할 만큼 차이가 있었다. 또한 정량적 분석 평가에서도 UFOV 및 CFOV의 균일도 수치가 감소할수록 팬텀 영상의 X-축 FWHM은 9.8 ㎜에서 9.0 ㎜까지 감소하였으며, Y- 축은 10.8 ㎜에서 10.1 ㎜까지 감소하였다(Fig. 4, 5). 즉 디 텍터의 균일도가 향상될수록 영상의 공간분해능은 개선되 고 있음을 정량적으로 확인할 수 있었다(Table 4).
3. 실험결과의 상관관계
실험 결과를 다중 회귀 통계분석을 통해 분석한 결과 다 중 상관계수(0.969)와 결정계수(0.940) 및 유의확률(0.001)은 스캐너 디텍터의 균일도 변화에 따른 팬텀 영상의 공간분해 능과 선형적인 관계가 있음을 확인하였다(Table 4)(Fig. 6). 즉 디텍터의 균일도가 향상될수록 팬텀 영상의 공간분해능 은 개선되었으며, 균일도가 저하될수록 팬텀 영상의 공간분 해능은 저하되었다[25].
Ⅳ. 고 찰
핵의학 스캐너가 의료기관에 설치되어 폐기에 이르기까 지 최상의 성능을 발휘할 수 있도록 지속적인 정도관리가 수행되어야 한다. SPECT의 성능은 스캐너를 구성하는 디텍 터 고유의 성능과 영상을 재구성하는 소프트웨어에 의해 좌 우되는데, 광자 신호 수집 조건에 의해서도 영향을 미치게 되므로 성능평가를 하는 경우에는 각 모델에 따라 스캔 조 건을 대상에 따라 정하는 것이 필요하다[26]. 감마카메라의 QC는 다양한 인자에 대한 상호관계를 고려해야 한다. 전력 의 공급형태, 온도(21℃), 습도(50%), 방사성 기체에 의한 공기 오염 정도, 환경방사선, 물리적 충격 등에 의한 영향으 로 SPECT 스캐너의 분해능과 감도 등 시스템의 성능이 저 하될 수 있다. 한편 SPECT의 회전 중심에 따른 평면 영상의 균일도 변화는 임상적으로 크게 문제되지 않을 것이라는 연 구결과가 있음에도 불구하고 균일도 저하는 단층 영상에는 잠재적으로 가장 크게 영상의 질을 저하시킬 수 있다[27, 28]. 또한 영상 재구성을 위한 시스템의 균일도 보정에 있어 SPECT에서 수집한 프로젝션 테이터는 콜리메이터와 광전 자증배관의 감도 저하에 의한 불균일 성분이 포함될 수 있 다[22]. 이와 같은 불균일 성분이 재구성 영상의 인공물 등 의 원인이 될 수 있으므로 영상 재구성 이전에 프로젝션 데 이터에 대한 균일 보정을 시행해야 한다[26]. 한편 SPECT 영상의 공간분해능을 평가하기 위해서는 점 또는 선 응답 함수(Spread Function), 변조전달함수(MTF, Modulation Trans fer Function)가 이용되며, 일반적으로 반치폭으로 평가하고 있다[15, 29]. 또한 규정된 팬텀을 이용하여 영상 을 획득한 후 여러 크기의 양성상과 음성상의 검출능력을 평가할 수 있다. 실험은 뇌 관류 SPECT를 모사하기 위해 Hoffman 2D 팬텀을 이용하였으나, X, Y, Z축 정보를 제공 하는 단층영상의 특성상 3D 팬텀을 이용하는 것이 공간분해 능을 보다 정확하게 평가할 수 있으나 팬텀 및 스캐너 가동 등 실험환경의 제한으로 2D 팬텀으로 실험하지 못 한 것도 이번 연구의 제한점이다. 또한 정도관리 균일도의 평가 시 점과 팬텀 영상을 획득한 시점이 다르므로 감마카메라의 성 능을 좌우하는 모든 인자를 반영하지 않았으며, 오직 정도 관리 항목 중 균일도만을 선정하여 팬텀 영상의 공간분해능 을 평가하였다. 직선성, 감도, 회전중심일치 등 스캐너 성능 에 영향을 미칠 수 있는 다양한 인자를 반영하지 않았으며, 4 분할 막대 팬텀과 같이 공간분해능을 특징적으로 평가할 수 있는 실험이 제외된 것도 이번 연구의 제한점일 수 있다. 따라서 이에 따른 영상의 질은 확률적으로만 판단할 수 있 다[29].
Ⅴ. 결 론
감마카메라 기반의 SPECT 스캐너는 다양한 인자의 영향 에 따라 성능이 변화될 수 있다. 실험을 통해 디텍터의 정도 관리 균일도와 팬텀 영상의 공간분해능과의 밀접한 상관관 계를 확인하였다. 만족할만한 SPECT 스캐너의 성능과 진단 영상의 공간분해능 및 진단 결과의 정확도를 확보하기 위해 서 매뉴얼에서 제시한 일련의 정도관리가 필수적이다. 그러 므로 뇌 관류 SPECT의 정확도, 예민도, 특이도를 높은 수 준에서 유지함으로써 검사의 신뢰도를 확보하기 위해서 지 속적인 정도관리는 반드시 수행되어야 하며, 이에 대한 사 용자의 명확한 인식이 필요할 것으로 사료된다.
