양전자방출단층촬영

Positron emission tomography
양전자방출단층촬영
조영 CT를 위해 매달린 펌프가 있는 PET-CT 스캐너

양전자 방출 단층 촬영([1]PET)은 방사성 추적기(radiottracer)로 알려진 방사성 물질을 사용하여 혈류, 국소 화학 조성 및 흡수를 포함한 기타 생리학적 활동을 시각화하고 측정하는 기능적 영상 기법입니다. 신체 내의 목표 프로세스에 따라 다양한 이미징 목적으로 다양한 추적기가 사용됩니다.

예:

  • 18
    F-FDG

    일반적으로 을 발견하는 데 사용됩니다.
  • NaF18

    뼈 형성을 감지하는 데 널리 사용됩니다.
  • 산소-15는 때때로 혈류량을 측정하는 데 사용됩니다.

PET는 일반적인 영상 기법으로 핵의학에 사용되는 의료용 섬광법 기법입니다. 방사성 의약품 – 의약품에 부착된 방사성 동위원소 – 는 추적자로서 체내에 주입됩니다. 방사성의약품이 베타 플러스 붕괴를 겪을 때 양전자가 방출되고, 양전자가 일반 전자와 상호작용하면 두 입자가 소멸하고 두 개의 감마선이 반대 방향으로 방출됩니다.[2] 이 감마선은 X선 이미지가 캡처되는 것과 유사한 방식으로 두 대의 감마 카메라에 의해 감지되어 3차원 이미지를 형성합니다.[citation needed]

PET 스캐너는 CT 스캐너를 통합할 수 있으며 PET-CT 스캐너로 알려져 있습니다. PET 스캔 영상은 동일한 세션 동안 하나의 스캐너를 사용하여 수행된 CT 스캔을 사용하여 재구성할 수 있습니다.

PET 스캐너의 단점 중 하나는 높은 초기 비용과 지속적인 운영 비용입니다.[3]

사용하다

PET는 전임상 및 임상 환경에서 사용되는 의료 및 연구 도구입니다. 종양의 영상화 및 임상 종양학 분야 내의 전이 탐색 및 다양한 유형의 치매를 유발하는 것과 같은 특정 확산 뇌 질환의 임상 진단에 많이 사용됩니다. PET는 인간의 정상적인 뇌, 심장 기능에 대한 지식을 배우고 향상시키고 약물 개발을 지원하는 귀중한 연구 도구입니다. PET는 동물을 이용한 전임상 연구에서도 사용됩니다. 그것은 시간이 지남에 따라 동일한 주제에 대한 반복적인 조사를 허용하며, 여기서 피실험자들은 그들 자신의 통제 역할을 할 수 있고 주어진 연구에 필요한 동물의 수를 상당히 줄입니다. 이 접근법을 통해 조사 연구는 결과의 통계적 품질을 높이면서 필요한 표본 크기를 줄일 수 있습니다.[citation needed]

생리학적 과정은 신체의 해부학적 변화로 이어집니다. PET는 일부 단백질의 발현뿐만 아니라 생화학적 과정을 감지할 수 있기 때문에, PET는 해부학적 변화가 보이기 훨씬 전에 분자 수준의 정보를 제공할 수 있습니다. PET 스캔은 관련 조직의 유형과 기능에 따라 흡수율이 다른 방사성 표지 분자 프로브를 사용하여 수행합니다. 다양한 해부학적 구조에서 국소 추적자 흡수는 PET 스캔 내에서 주입된 양전자 방출기의 관점에서 시각화되고 상대적으로 정량화될 수 있습니다.[citation needed]

PET 이미징은 전용 PET 스캐너를 사용하여 수행하는 것이 가장 좋습니다. 일치 검출기가 장착된 기존의 듀얼 헤드 감마 카메라를 사용하여 PET 영상을 획득하는 것도 가능합니다. 감마 카메라 PET 이미징의 품질은 더 낮고 스캔은 획득하는 데 더 오래 걸립니다. 하지만 이 방법을 사용하면 PET 스캐닝 수요가 적은 기관에 저렴한 현장 솔루션을 제공할 수 있습니다. 다른 방법은 이러한 환자를 다른 센터로 소개하거나 모바일 스캐너의 방문에 의존하는 것입니다.

의료 영상의 대안적인 방법으로는 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영(SPECT), X선 컴퓨터 단층 촬영(CT), 자기 공명 영상(MRI) 및 기능적 자기 공명 영상(fMRI), 초음파가 있습니다. SPECT는 PET와 유사한 영상 기법으로 방사성 리간드를 이용하여 체내 분자를 검출합니다. SPECT는 PET보다 가격이 저렴하고 화질이 떨어집니다.

종양학

F-FDG(fluorodeoxyglucose)를 이용한 전신 PET 스캔. 정상적인 뇌와 신장에 라벨이 붙어 있고, FDG가 분해되면서 나오는 방사성 소변이 방광에 보입니다. 또 간에 대장암으로 인한 전이성 종양 덩어리가 크게 보입니다.

추적자 F-FDG를 사용한 PET 스캔은 임상 종양학에서 널리 사용됩니다. FDG는 포도당을 사용하는 세포에 의해 흡수되고 헥소키나아제에 의해 인산화되는 포도당 유사체입니다. 방사성 포도당 분자의 대사 트래핑을 통해 PET 스캔을 활용할 수 있습니다. 영상화된 FDG 추적자의 농도는 조직 대사 활성을 나타내는데, 이는 국소 포도당 흡수에 해당합니다. 18F-FDG는 암이 다른 신체 부위로 전이( 전이)될 가능성을 탐색하는 데 사용됩니다. 암 전이를 감지하기 위한 이러한 F-FDG PET 스캔은 표준 의료에서 가장 일반적입니다(현재 스캔의 90%를 차지합니다). 치매 유형의 진단에도 동일한 추적자를 사용할 수 있습니다. 일반적으로 플루오린-18로 표시되지는 않지만 다른 방사성 추적기를 사용하여 신체 내부의 다양한 종류의 관심 분자의 조직 농도를 이미지화하는 경우는 더 적습니다.[citation needed]

종양학적 스캔에 사용되는 FDG의 일반적인 선량은 7.6 mSv의 유효 방사선량을 갖습니다.[4] 모든 세포에서 FDG를 생성하기 위해 불소-18로 치환된 히드록시기가 포도당 대사의 다음 단계에 필요하기 때문에 FDG에서는 더 이상의 반응이 일어나지 않습니다. 또한 헥소키나아제에 의해 첨가된 인산염은 대부분의 조직에서 제거되지 않습니다. 이것은 FDG가 붕괴될 때까지 그것을 차지하는 모든 세포에 갇혀 있다는 것을 의미하는데, 왜냐하면 인산화된 당은 이온 전하로 인해 세포 밖으로 나갈 수 없기 때문입니다. 이로 인해 정상적인 뇌, 간, 신장, 대부분의 암 등 포도당 섭취량이 높은 조직은 와버그 효과로 인해 대부분의 정상 조직보다 포도당 섭취량이 높습니다. 따라서 FDG-PET는 특히 호지킨림프종,[5] 비호지킨림프종,[6] 폐암 등에서 암의 진단, 병기 설정 및 모니터링 치료에 사용될 수 있습니다.[7][8][9]

호지킨림프종에 대한 PET의 사용에 대한 2020년 연구 검토는 중간 PET 스캔에서 부정적인 결과가 더 높은 전체 생존무진행 생존과 관련이 있다는 증거를 발견했습니다. 그러나 사용 가능한 증거의 확실성은 생존에 중간 정도였으며 무진행 생존에는 매우 낮았습니다.[10]

몇 가지 다른 동위원소와 방사성 추적기는 특정 목적을 위해 종양학에 서서히 도입되고 있습니다. 예를 들어, C-표지된 메토미데이트(11C-메토미데이트)는 부신피질 기원의 종양을 검출하는 데 사용되었습니다.[11][12] 또한 FDOPA PET/CT(또는 F-18-DOPA PET/CT)는 MIBG 스캔보다 갈색세포종을 찾고 또한 국소화하는 데 더 민감한 대안임이 입증되었습니다.[13][14][15]

신경영상

신경학

인간 뇌의 PET 스캔

산소-15를 사용한 PET 이미징은 뇌로 가는 혈류량을 간접적으로 측정합니다. 이 방법에서 방사능 신호의 증가는 혈류 증가를 나타내며, 이는 뇌 활동 증가와 상관관계가 있는 것으로 추정됩니다. 반감기가 2분이므로 O는 의료용 사이클로트론에서 직접 파이프로 연결해야 하는데, 이는 어렵습니다.[16]

F-FDG를 이용한 PET 영상은 뇌가 일반적으로 포도당을 빠르게 사용한다는 점을 이용합니다. 뇌의 표준 F-FDG PET는 지역별 포도당 사용량을 측정하여 신경병리학적 진단에 활용할 수 있습니다.

알츠하이머병과 같은 뇌병리는 포도당과 산소의 뇌 대사를 동시에 크게 감소시킵니다. 따라서 뇌의 F-FDG PET는 알츠하이머병을 다른 치매 과정과 성공적으로 구별하고 알츠하이머병을 조기에 진단하는 데에도 사용될 수 있습니다. 이러한 용도를 위한 F-FDG PET의 장점은 훨씬 더 광범위한 가용성입니다. 알츠하이머에 사용되는 일부 F 기반 방사성 추적기에는 플로르베타피르, 플루트메타몰, PiB플로르베타벤이 포함되며, 이들은 모두 뇌에서 아밀로이드 베타 플라크(알츠하이머의 잠재적 바이오마커)를 감지하는 데 사용됩니다.[17]

FDG를 사용한 PET 영상은 발작 초점의 국소화에도 사용할 수 있습니다. 인터택스 스캔 중에 발작 초점이 저대사로 나타납니다.[18] 특정 신경 수용체 아형에 대한 리간드11PET에 대한 여러 방사성 추적자(즉, 방사성 리간드)가 개발되었으며, 이는 도파민 D2/D3 수용체에 대한 [C] 라클로프라이드, [18F] 디메톡시프라이드, 18세로토닌 수송체에 대한 [11C] McN 5652 및 11[C] DASB, 세로토닌 5HT1A 수용체에 대한 18메프웨이, [18F]니코틴성 아세틸콜린 수용체 또는 효소 기질을 위한 니펜18(예: AADC 효소를 위한 6-FDOPA). 이러한 제제는 다수의 신경 정신 및 신경 질환의 맥락에서 신경 수용체 풀의 시각화를 허용합니다.

PET는 뇌전증을 일으키는 해마 경화증의 진단에도 사용될 수 있습니다. FDG, 그리고 덜 일반적인 추적자인 플루마제닐MPPF가 이러한 목적으로 탐색되었습니다.[19][20] 공막이 편측(오른쪽 해마 또는 왼쪽 해마)인 경우 F-FDG 섭취를 건강한 쪽과 비교할 수 있습니다. MRI로 진단이 어렵더라도 PET로 진단할 수 있습니다.[21][22]

인간 뇌의 신경 응집체에 대한 비침습적 생체 내 PET 이미징을 위한 많은 새로운 프로브의 개발은 아밀로이드 이미징을 임상적 활용에 가깝게 만들었습니다. 가장 초기의 아밀로이드 영상 프로브에는 로스앤젤레스 캘리포니아 대학교에서 개발한 2-(1-{6-[(2-[18F]플루오로에틸)(메틸)아미노]-2-나프틸}에틸리덴)말로니트릴([18F]FDNP)[23]과 피츠버그 대학교에서 개발한 N-메틸-[11C]2-(4'-메틸아미노페닐)-6-하이드록시벤조티아졸[24](피츠버그 화합물 B)이 포함되었습니다. 이러한 아밀로이드 영상 프로브는 알츠하이머 환자의 뇌에서 아밀로이드 플라크를 시각화할 수 있도록 하며 임상의가 AD 사전 진단을 긍정적으로 수행하는 데 도움을 주고 새로운 항아밀로이드 치료법 개발에 도움을 줄 수 있습니다. [11CPMP11(N-[11C]methylpiperidin-4-yl propionate)는 아세틸콜린에스테라아제의 기질로 작용하여 아세틸콜린성 신경전달물질 시스템의 활성을 결정하기 위해 PET 이미징에 사용되는 새로운 방사선 의약품입니다. AD 환자의 사후 검사에서 아세틸콜린에스테라아제 수치가 감소했습니다. [11CPMP는11 뇌의 아세틸콜린에스테라제 활성을 매핑하는 데 사용되며, 이는 AD의 사전 진단을 가능하게 하고 AD 치료를 모니터링하는 데 도움이 될 수 있습니다.[25] 아비디라디오제약은 PET 스캔을 이용해 아밀로이드 플라크를 검출하는 데 더 오래 지속되는 방사성핵종 플루오린-18을 사용하는 플로르베타피르라는 화합물을 개발해 상용화했습니다.[26]

신경심리학 또는 인지신경과학

특정한 심리적 과정이나 장애와 뇌 활동 사이의 연관성을 조사합니다.

정신과

생물학적 정신 의학에서 관심 있는 신경 수용체에 선택적으로 결합하는 수많은 화합물이 C-11 또는 F-18로 방사성 표지되었습니다. 도파민 수용체(D1,[27] D2 수용체,[28][29] reuptake transporter), 세로토닌 수용체(5HT1A, 5HT2A, reuptake transporter) 오피오이드 수용체(mu 및 kappa) 콜린성 수용체(니코틴 및 무스카린) 및 기타 부위에 결합하는 방사성 리간드는 인간 피험자를 대상으로 한 연구에서 성공적으로 사용되었습니다. 조현병, 약물 남용, 기분 장애 및 기타 정신 질환에서 건강한 대조군과 비교하여 환자의 이러한 수용체의 상태를 조사하는 연구가 수행되었습니다.[citation needed]

정위수술 및 방사선수술

PET-이미지 유도 수술은 두개내 종양, 동정맥 기형 및 기타 수술로 치료 가능한 상태의 치료를 용이하게 합니다.[30]

심장학

심장학, 죽상경화증 및 혈관질환 연구: F-FDG PET는 동면 심근을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 SPECT 대비 이 역할에 대한 PET의 비용 효율성은 불분명합니다. 뇌졸중 위험 환자를 발견하기 위한 죽상경화증18F-FDG PET 영상 촬영도 가능합니다. 또한 새로운 항 죽상경화증 치료제의 효능을 테스트하는 데 도움이 될 수 있습니다.[31]

감염병

분자 영상 기술로 영상 감염을 진단 및 치료 추적을 개선할 수 있습니다. 임상적으로 PET는 감염 관련 염증 반응을 확인하기 위해 FDG(fluorodeoxyglucose)를 사용하여 박테리아 감염을 이미지화하는 데 널리 사용되었습니다. 생체 내 세균 감염을 이미지화하기 위해 18[F] 말토오스,[32] 18[F] 말토헥사오스 및 18[F]2-플루오로데옥시소르비톨(FDS)의 세 가지 다른 PET 조영제가 개발되었습니다.[33] FDS는 장내세균과만 표적으로 삼을 수 있다는 부가적인 이점이 있습니다.

생물분포 연구

전임상 시험에서는 새로운 약물을 방사성 표지하여 동물에게 주입할 수 있습니다. 이러한 스캔을 생물 분포 연구라고 합니다. 시간이 지남에 따라 약물 흡수, 보유 및 제거에 대한 정보는 동물을 죽이고 해부하는 기존 기술에 비해 빠르고 비용 효율적으로 얻을 수 있습니다. 일반적으로 작용 부위의 약물 점유는 표지되지 않은 약물과 부위에 특이성을 가지고 결합하는 것으로 알려진 방사성 표지된 화합물 사이의 경쟁 연구에 의해 간접적으로 추론될 수 있습니다. 단일 방사성 리간드를 사용하여 동일한 표적에 대한 많은 잠재적 약물 후보를 테스트할 수 있습니다. 관련 기술은 약물이 천연 물질의 방출을 유발한다는 것을 입증하기 위해 주어진 수용체에서 내인성(자연적으로 발생하는) 물질과 경쟁하는 방사성 리간드로 스캔하는 것을 포함합니다.[34]

소형동물영상

완전히 의식이 있는 쥐가 스캔할 수 있을 정도로 작은 소형 동물 PET가 제작되었습니다.[35] 이 RatCAP (Rat Council Animal PET)을 사용하면 마취의 교란 효과 없이 동물을 스캔할 수 있습니다. 소형 영장류용 스캐너뿐만 아니라 종종 microPET라고도 불리는 영상 설치류용으로 특별히 설계된 PET 스캐너는 학술 및 제약 연구용으로 판매되고 있습니다. 스캐너는 단일 칩 실리콘 광증배관을 사용하는 시스템을 통해 초소형 섬광기와 증폭된 눈사태 광다이오드(APD)를 기반으로 합니다.[1]

2018년 UC Davis School of Veterinary Medicine은 소규모 임상 PET-스캐너를 임상(연구가 아닌) 동물 진단을 위한 PET-PET 스캔으로 사용한 최초의 수의학 센터가 되었습니다. 반려동물의 암 전이를 감지하는 비용과 한계적인 효용(이 방식의 주요 사용) 때문에 동물용 PET 스캔은 가까운 미래에 거의 사용할 수 없을 것으로 예상됩니다.[citation needed]

근골격영상

PET 이미징은 근육과 뼈를 이미징하는 데 사용되었습니다. 18F-FDG는 영상 근육에 가장 많이 사용되는 추적자이며, NaF-F18은 영상 뼈에 가장 널리 사용되는 추적자입니다.

근육들

PET는 걷기와 같은 운동 중 골격근을 연구하는 데 실현 가능한 기술입니다.[36] 또한 PET는 피부 바로 아래 표재성 근육에만 사용할 수 있는 근전도술과 같은 기술과 비교하여 깊은 곳에 있는 근육에 대한 근육 활성화 데이터(vastus intermedialisgluteus minimus 등)를 제공할 수 있습니다. 하지만 PET는 운동이 끝난 후 측정해야 하기 때문에 근육 활성화에 대한 타이밍 정보를 제공하지 않는다는 단점이 있습니다. FDG가 활성화된 근육에 축적되는 데 걸리는 시간 때문입니다.[citation needed]

뼈들

NaF-F18과 함께, 뼈 영상화를 위한 PET는 정적 및 동적 스캔을 이용하여 국소적인 뼈 대사 및 혈류량을 측정하기 위해 60년 동안 사용되어 왔습니다. 연구원들은 최근 NaF-18을 사용하여 뼈 전이도[37] 연구하기 시작했습니다.

안전.

PET 스캔은 비침습적이지만 이온화 방사선에 대한 노출을 수반합니다.[3]

현재 PET 신경영상 및 암 환자 관리에 사용되는 표준 방사선 추적기인 18F-FDG[38]유효 방사선량은 14mSv입니다.[4]

F-FDG의18 방사선량은 미국 콜로라도 덴버시에서 1년을 보낸 유효 선량(12.4 mSv/년)과 비슷합니다.[39] 비교를 위해 다른 의료 시술의 방사선량은 흉부 X선 촬영의 경우 0.02 mSv, 흉부 CT 촬영의 경우 6.5–8 mSv입니다.[40][41] 평균 민간 항공기 승무원은 연간 3mSv에 노출되며,[42] 미국 원자력 노동자의 전신 작업 선량 한도는 50mSv/년입니다.[43] 척도에 대해서는 크기 순서(방사선)를 참조하십시오.

PET-CT 스캔의 경우 방사선 피폭량이 23~26mSv 정도로 상당할 수 있습니다(70kg의 사람의 경우 체중이 높을수록 선량이 높을 가능성이 있음).[44][45]

작동

방사성핵종 및 방사성추적기

PET 스캐너의 검출기 블록 및 링의 개략도
PET 스캔에 사용되는 동위원소
동위 원소 11 13N 15 18 68 64 52Mn 55 89Zr 82Rb
반감기 20분 10분. 2분 110분 67.81분 12.7시간 5.6 d 17.5시간 78.4시간[46] 1.3분

방사성핵종은 포도당(또는 포도당 유사체), 물 또는 암모니아와 같은 신체가 일반적으로 사용하는 화합물 또는 수용체 또는 기타 약물 작용 부위에 결합하는 분자에 통합됩니다. 이러한 라벨이 붙은 화합물을 방사성 추적기라고 합니다. PET 기술은 PET 동위원소로 방사성 표지될 수 있는 경우 살아있는 인간(및 다른 많은 종들)의 모든 화합물의 생물학적 경로를 추적하는 데 사용될 수 있습니다. 따라서 PET로 탐침할 수 있는 구체적인 공정은 사실상 한계가 없고, 새로운 표적 분자와 공정에 대한 무선추적기가 계속 합성되고 있습니다. 이 글을 쓰는 현재 이미 수십 개의 임상 사용과 수백 개의 연구 적용이 있습니다. 2020년에 임상 PET 스캐닝에서 가장 일반적으로 사용되는 방사성 추적자는 탄수화물 유도체 플루오로데옥시글루코스(1818F)(F-FDG)입니다. 이 방사선 추적기는 본질적으로 종양학의 모든 스캔과 신경학의 대부분의 스캔에 사용되므로 PET 및 PET-CT 스캔에 사용되는 방사선 추적기의 대부분(95%)을 차지합니다.

대부분의 양전자를 방출하는 방사성 동위원소의 반감기가 짧기 때문에, 전통적으로 PET 영상 시설에 가까운 곳에서 사이클로트론을 사용하여 방사성 추적기를 생산해 왔습니다. 불소-18의 반감기는 충분히 길기 때문에 불소-18로 표지된 방사성 추적기는 오프사이트 위치에서 상업적으로 제조되어 이미징 센터로 배송될 수 있습니다. 최근 루비듐-82 발전기가 상용화되었습니다.[47] 여기에는 스트론튬-82가 포함되어 있는데, 스트론튬-82는 전자 포획에 의해 붕괴되어 양전자를 방출하는 루비듐-82를 생성합니다.

PET 스캔에서 금속의 양전자 방출 동위원소의 사용이 검토되었으며, 여기에는 란타니드와 같은 위에 나열되지 않은 원소가 포함됩니다.[48]

이뮤노-PET

동위원소 Zr은 양전자 방출 단층 촬영(PET) 카메라("immuno-PET"[49][50][51]라고 하는 방법)로 분자 항체의 추적 및 정량에 적용되었습니다.

항체의 생물학적 반감기는 일반적으로 수 일의 순서로 되어 있으며, 예를 들어 daclizumaberenumab을 참조하십시오. 이러한 항체의 체내 분포를 시각화하고 정량화하기 위해, PET 동위원소 Zr은 그 물리적 반감기가 항체의 전형적인 생물학적 반감기와 일치하기 때문에 매우 적합합니다, 위의 표를 참조하십시오.

배출

PET 획득 프로세스 스키마

스캔을 수행하기 위해 수명이 짧은 방사성 추적자 동위원소가 살아있는 피험자(일반적으로 혈액 순환에)에게 주입됩니다. 각 추적자 원자는 화학적으로 생물학적 활성 분자에 통합되었습니다. 활성 분자가 관심 조직에 집중되는 동안 대기 기간이 있습니다. 그런 다음 피험자를 이미징 스캐너에 넣습니다. 이를 위해 가장 일반적으로 사용되는 분자는 F-18 표지된 플루오로데옥시글루코스(FDG)로, 일반적으로 대기 시간은 1시간입니다. 스캔하는 동안 추적자가 감소함에 따라 조직 농도가 기록됩니다.

방사성 동위원소가 양전자 방출 붕괴(양전자 방출 붕괴라고도 함)를 겪을 때, 양전자를 방출하는데, 이는 반대 전하를 가진 전자반입자입니다. 방출된 양전자는 짧은 거리(일반적으로 1mm 미만이지만 동위원소에[52] 의존함) 동안 조직 내를 이동하며, 그 동안 운동 에너지를 잃고 전자와 상호작용할 수 있는 지점까지 감속합니다.[53] 이 만남은 전자와 양전자를 모두 소멸시켜 거의 반대 방향으로 움직이는 한 쌍의 소멸 광자를 생성합니다. 이들은 스캐닝 장치의 섬광기에 도달하면 감지되어 광전자 증배관 또는 실리콘 애벌랜치 포토다이오드(Si APD)에 의해 감지되는 빛의 버스트를 생성합니다. 이 기술은 거의 반대 방향으로 이동하는 광자 쌍의 동시 또는 동시 탐지에 의존합니다(질량 프레임의 중심에서는 정확히 반대이지만 스캐너는 이를 알 방법이 없기 때문에 내장된 약간의 방향 오류 허용 오차가 있습니다). 시간적 "쌍"(즉, 몇 나노초의 타이밍 윈도우 내)에 도착하지 않는 광자는 무시됩니다.

양전자 소멸 사건의 현지화

전자-양전자 소멸의 가장 중요한 부분은 두 개의 511 keV 감마 광자가 서로 거의 180도로 방출되는 결과를 가져옵니다. 따라서 일치선(반응선 또는 LOR이라고도 함)을 따라 소스를 현지화할 수 있습니다. 실제로 LOR은 방출된 광자가 정확히 180도 떨어져 있지 않기 때문에 0이 아닌 폭을 갖습니다. 검출기의 분해능 시간이 약 10나노초가 아닌 500피코초 미만인 경우, 검출기 타이밍 분해능에 의해 길이가 결정되는 코드의 세그먼트에 이벤트를 국소화하는 것이 가능합니다. 타이밍 해상도가 향상됨에 따라 영상의 신호잡음비(SNR)가 향상되어 동일한 영상 품질을 달성하는 데 필요한 이벤트가 줄어들 것입니다. 이 기술은 아직 일반적이지는 않지만 일부 새로운 시스템에서 사용할 수 있습니다.[54]

이미지 재구성

PET 스캐너에 의해 수집된 원시 데이터는 한 쌍의 검출기에 의한 소멸 광자의 거의 동시 검출(일반적으로 서로 6 ~ 12 나노초의 윈도우 내)을 나타내는 '동시 사건' 목록입니다. 각 일치 이벤트는 양전자 방출이 발생한 두 검출기를 연결하는 공간의 선(즉, 응답선(LOR))을 나타냅니다.

컴퓨터 단층 촬영(CT) 및 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영(SPECT) 데이터의 재구성과 마찬가지로 분석 기법이 일반적으로 사용되지만 PET에서 수집되는 데이터 세트는 CT보다 훨씬 열악하기 때문에 재구성 기법이 더 어렵습니다. 일치 이벤트는 사이노그램(sinogram)이라고 하는 투영 이미지로 그룹화할 수 있습니다. 사이노그램은 (3D 영상의 경우) 각 보기 및 기울기 각도에 따라 정렬됩니다. 사이노그램 영상은 컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캐너로 캡처한 프로젝션과 유사하며 유사한 방식으로 재구성할 수 있습니다. 이렇게 얻은 데이터의 통계는 전송 단층 촬영을 통해 얻은 것보다 훨씬 더 좋지 않습니다. 일반 PET 데이터 세트에는 전체 수집에 대해 수백만 개의 카운트가 있는 반면 CT는 몇 십억 개의 카운트에 도달할 수 있습니다. 이는 CT보다 PET 영상이 "소음"하게 나타나는 원인이 됩니다. PET에서 소음의 두 가지 주요 원인은 산란(탐지된 광자 쌍, 적어도 하나는 시야의 물질과의 상호작용에 의해 원래 경로에서 편향됨)입니다. 쌍이 잘못된 LOR에 할당됨) 및 무작위 이벤트(두 개의 다른 소멸 이벤트에서 시작되었지만 각각의 검출기에 도달한 경우 일치 타이밍 창 내에서 발생했기 때문에 일치 쌍으로 잘못 기록됨)로 이어집니다.

실제로는 데이터의 상당한 사전 처리가 필요한데, 무작위 일치에 대한 보정, 산란된 광자의 추정 및 감산, 검출기 데드 타임 보정(광자 검출 후), 검출기는 반드시 "다시 냉각"해야 하며, 검출기-감도 보정(고유 검출기 감도 및 입사각에 따른 감도 변화 모두에 대해)을 수행해야 합니다.

FBP(Filtered Back Projection)는 프로젝션에서 이미지를 재구성하는 데 자주 사용되었습니다. 이 알고리즘은 컴퓨팅 리소스에 대한 요구 사항이 낮으면서도 간단하다는 장점이 있습니다. 단점은 원시 데이터의 샷 노이즈가 재구성된 영상에서 두드러지고 추적자 흡수가 높은 영역은 영상을 가로질러 줄무늬를 형성하는 경향이 있다는 것입니다. 또한 FBP는 데이터를 결정론적으로 처리합니다. PET 데이터와 관련된 고유한 무작위성을 설명하지 않으므로 위에서 설명한 모든 재구성 전 수정이 필요합니다.

통계적, 가능성 기반 접근법 Shepp-Vardi 알고리즘과[57] 같은 통계적, 가능성 기반 반복 기대-최대화 알고리즘이 현재 선호되는 재구성 방법입니다. 이러한 알고리즘은 통계적 원리를 기반으로 측정된 데이터로 이어진 소멸 사건의 가능한 분포 추정치를 계산합니다. 장점은 더 나은 노이즈 프로파일과 FBP에서 공통적으로 사용되는 연속 아티팩트에 대한 내성이지만 단점은 더 큰 컴퓨터 리소스 요구 사항입니다. 통계적 이미지 재구성 기술의 또 다른 이점은 분산된 광자, 무작위 일치, 감쇠 및 검출기 데드타임과 같은 분석적 재구성 알고리즘을 사용할 때 사전에 보정해야 하는 물리적 효과입니다. 재구성에 사용되는 우도 모델에 통합하여 추가적인 노이즈 감소를 허용할 수 있습니다. 분석적 재구성 방법으로 사용되는 모델보다 스캐너 물리학의 더 정교한 모델을 우도 모델에 통합하여 방사능 분포의 정량화를 개선할 수 있기 때문에 반복적인 재구성은 재구성된 이미지의 해상도를 향상시키는 것으로 나타났습니다.[58]

연구에 따르면 포아송 우도 함수와 적절한 사전 확률을 포함하는 베이지안 방법(예: 총 변동 정규화로 이어지는 평활화 또는ℓ 1 \ell_{1}} 기반 웨이블릿 또는 다른 도메인에서 정규화로 이어지는 라플라시안 분포), 예를 들어, Ulf Grenander's Sieve 추정기[59][60] 또는 베이즈 페널티 방법 또는[61][62] I.J. Good의 거친[63][64] 방법은 포아송 우도 함수를 포함하지만 이러한 사전을 포함하지 않는 기대 최대화 기반 방법보다 우수한 성능을 낼 수 있습니다.[65][66][67]

감쇄 보정: 정량적 PET 영상 촬영을 위해서는 감쇠 보정이 [68]필요합니다. 이러한 시스템에서 감쇠 보정은 Ge 회전 로드 소스를 사용한 전송 스캔을 기반으로 합니다.[69]

전송 스캔은 511 keV에서 감쇠 값을 직접 측정합니다.[70] 감쇄는 체내의 전파 추적자가 방출하는 광자가 검출기와 광자 방출 사이의 조직에 의해 흡수될 때 발생합니다. 서로 다른 LOR은 조직의 두께를 서로 다르게 통과해야 하므로 광자는 차등적으로 감쇠됩니다. 결과적으로 체내 깊은 곳에 있는 구조는 거짓으로 낮은 추적자 흡수를 갖는 것으로 재구성됩니다. 현대 스캐너는 감마선(양전자 방출) 소스와 PET 디텍터를 사용하여 조잡한 형태의 CT를 제공한 이전 장비 대신 통합 x선 CT 장비를 사용하여 감쇠를 추정할 수 있습니다.

감쇠 보정 영상은 일반적으로 더 충실한 표현이지만 보정 프로세스 자체는 중요한 아티팩트에 취약합니다. 결과적으로 보정된 영상과 보정되지 않은 영상 모두 항상 재구성되어 함께 읽힙니다.

2D/3D 재구성: 초기 PET 스캐너에는 단일 링의 검출기만 있었기 때문에 데이터 수집 및 후속 재구성은 단일 횡단면으로 제한되었습니다. 더 현대적인 스캐너는 이제 본질적으로 검출기의 실린더를 형성하는 여러 링을 포함합니다.

이러한 스캐너에서 데이터를 재구성하는 방법에는 두 가지 방법이 있습니다.

  1. 각 링을 별개의 개체로 취급하여 링 내의 일치만 감지하고 각 링의 영상을 개별적으로 재구성할 수 있습니다(2D 재구성).
  2. 링 사이뿐만 아니라 링 내에서도 일치를 감지할 수 있도록 한 다음 전체 볼륨을 함께 재구성합니다(3D).

3D 기법은 (더 많은 우연이 감지되고 사용되기 때문에) 더 나은 감도를 가지므로 잡음이 적지만, 더 큰 컴퓨터 자원을 필요로 할 뿐만 아니라 산란 및 무작위 우연의 영향에 더 민감합니다. 서브 나노초 타이밍 해상도 검출기의 등장은 더 나은 무작위 일치 거부를 제공하여 3D 이미지 재구성을 선호합니다.

TOF(Time of Flight) PET: 시간 해상도(약 3나노초)가 더 높은 현대 시스템의 경우 "비행 시간"이라고 불리는 기술을 사용하여 전반적인 성능을 향상시킵니다. 타임 오브 플라이트 PET는 매우 빠른 감마선 검출기와 데이터 처리 시스템을 사용하여 두 광자 검출 사이의 시간 차이를 보다 정확하게 결정할 수 있습니다. 전멸사건의 원점을 정확하게(현재 10cm 이내) 현지화하는 것은 불가능합니다. 따라서 여전히 이미지 재구성이 필요합니다. TOF 기법은 이미지 품질, 특히 신호 대 잡음비에서 현저한 향상을 제공합니다.

CT 또는 MRI와 PET의 조합

완전체 PET-CT 융합 영상
뇌 PET-MRI 융합 영상

PET 스캔은 CT 또는 자기공명영상(MRI) 스캔과 함께 점점 더 많이 읽히고 있으며, 조합("공동등록"이라고 함)은 해부학적 정보와 대사적 정보(즉, 구조가 무엇인지, 생화학적으로 무엇을 하는지)를 모두 제공합니다. PET 영상은 CT와 같은 해부학적 영상과 함께 가장 유용하기 때문에, 최신 PET 스캐너는 통합된 고급 멀티 디텍터 행 CT 스캐너(이른바 "PET-CT")와 함께 사용할 수 있습니다. 환자가 두 종류의 스캔 사이에서 위치를 변경하지 않고 동일한 세션 동안 두 스캔을 즉시 순서대로 수행할 수 있기 때문에 두 세트의 영상이 더 정확하게 등록되어 PET 영상의 이상 부위가 CT 영상의 해부학적 구조와 더 완벽하게 상관될 수 있습니다. 이는 뇌 밖에서 더 흔히 볼 수 있는 해부학적 변이가 더 높은 움직이는 장기나 구조의 상세한 보기를 보여주는 데 매우 유용합니다.

율리히 신경과학 및 생물물리학 연구소에서는 2009년 4월 세계 최대의 PET-MRI 장치가 가동을 시작했습니다. 양전자 방출 단층 촬영기(PET)와 결합된 9.4-테슬라 자기 공명 단층 촬영기(MRT). 현재는 이러한 높은 자기장의 세기에서 머리와 뇌만 영상을 찍을 수 있습니다.[71]

뇌 영상 촬영의 경우 통합 PET-CT 또는 PET-MRI 스캐너 없이 N-로컬라이저로 알려진 장치를 사용하여 CT, MRI 및 PET 스캔의 등록을 수행할 수 있습니다.[30][72][73][74]

한계

피험자에 대한 방사선량의 최소화는 단명 방사성핵종 사용의 매력적인 특징입니다. 진단 기법으로서의 확립된 역할 외에도 PET는 치료, 특히 암 치료에 대한 반응을 평가하는 방법으로서 확장적인 역할을 하고 있습니다.[75] 여기서 질병 진행에 대한 지식 부족으로 인한 환자의 위험이 검사 방사선으로 인한 위험보다 훨씬 더 큽니다. 추적기가 방사능이기 때문에 방사선에[dubious ] 의한 위험 때문에 노약자나 임산부는 사용할 수 없습니다.

PET의 광범위한 사용에 대한 제한은 PET 스캐닝을 위한 단명 방사성 핵종을 생산하는 데 필요한 사이클로트론의 높은 비용과 방사성 동위원소 준비 후 방사성 의약품을 생산하기 위해 특별히 조정된 현장 화학 합성 장치의 필요성으로 인해 발생합니다. 양전자를 방출하는 방사성 동위원소를 포함하는 유기 방사성 추적자 분자는 먼저 합성된 다음 그 안에서 준비된 방사성 동위원소를 합성할 수 없습니다. 왜냐하면 방사성 동위원소를 준비하기 위해 사이클로트론을 충돌시키면 그를 위한 유기 운반체가 파괴되기 때문입니다. 대신 동위원소를 먼저 준비해야 하고, 그 다음에 유기 방사성 추적기(FDG)를 준비하는 화학적 성질이 매우 빠르게 이루어졌습니다. 동위원소가 붕괴되기 전에 말이죠. 그러한 시스템을 유지할 수 있는 병원과 대학은 거의 없으며, 대부분의 임상 PET는 여러 사이트를 동시에 공급할 수 있는 방사성 추적기의 타사 공급업체의 지원을 받습니다. 이 제한은 주로 임상 PET를 110분의 반감기를 가지며 사용 전 합리적인 거리를 운반할 수 있는 불소-18로 표지된 추적자의 사용 또는 1.27분의 반감기를 가진 루비듐-82(루비듐-82 클로라이드로 사용)로 제한합니다. 휴대용 발전기에서 생성되어 심근 관류 연구에 사용됩니다. 최근 몇 년 동안 통합 차폐 기능을 갖춘 몇몇 현장 사이클로트론과 "핫 랩"(방사성 동위원소를 사용하여 작업할 수 있는 자동화된 화학 실험실)이 PET 장치와 함께 원격 병원으로 이동하기 시작했습니다. 원격 PET 기계로 동위원소를 운반하는 높은 비용에 대응하여 사이클로트론이 축소됨에 따라 작은 현장 사이클로트론의 존재는 미래에 확장될 것을 약속합니다.[76] 최근 몇 년 동안 미국에서는 방사성 동위원소를 공급하기 위한 방사성 의약품의 출시가 매년 30%씩 증가하면서 PET 스캔의 부족이 완화되었습니다.[77]

플루오린-18의 반감기는 약 2시간이기 때문에, 이 방사성 핵종을 포함하는 방사성 의약품의 준비된 용량은 작업일 동안 여러 번의 반감기를 거치게 됩니다. 이를 위해서는 남은 선량(단위 볼륨당 활동 결정)을 자주 재보정하고 환자 스케줄링과 관련하여 신중한 계획을 세워야 합니다.

역사

2003년에 출시된 PET 스캐너

방출 및 투과 단층 촬영의 개념은 David E에 의해 소개되었습니다. 1950년대 후반의 쿨, 루크 채프먼 그리고 로이 에드워즈. 그들의 작업은 나중에 펜실베니아 대학에서 여러 단층 촬영 기구들의 설계와 건설로 이어졌습니다. 1975년 Michael Ter-Pogossian에 의해 단층 영상 기술이 더욱 발전되었습니다. 펠프스, 에드워드 J. 호프만 그리고 워싱턴대학교 의과대학의 다른 사람들.[78][79]

1950년대에 시작된 매사추세츠 종합병원의 Gordon Brownell, Charles Burnham 및 그들의 동료들의 연구는 PET 기술의 발전에 크게 기여했고 의료 영상을 위한 섬멸 방사선의 첫 번째 시연을 포함했습니다.[80] 경배관의 사용과 체적 분석을 포함한 그들의 혁신은 PET 영상 구축에 중요했습니다. 1961년, 제임스 로버트슨과 브룩헤이븐 국립 연구소의 그의 동료들은 "머리 수축기"라는 별명을 가진 최초의 단일 평면 PET 스캔을 만들었습니다.[81]

양전자 영상의 수용에 가장 큰 책임이 있는 요인 중 하나는 방사선 의약품의 발전이었습니다. 특히 알 울프와 조안나 파울러의 지시로 브룩헤이븐 그룹이 표지된 2-플루오로데옥시-D-글루코오스(2FDG)를 개발한 것이 PET 영상의 범위를 넓히는 주요 요인이었습니다.[82] 이 화합물은 1976년 8월 펜실베니아 대학에서 Abass Alavi에 의해 두 명의 정상적인 인간 지원자들에게 처음 투여되었습니다. 일반적인 (비 PET) 핵 스캐너로 얻은 뇌 영상은 그 기관에 FDG가 집중되어 있음을 보여주었습니다. 나중에, 그 물질은 현대적인 절차를 산출하기 위해 전용 양전자 단층 촬영 스캐너에 사용되었습니다.

양전자 계측의 논리적 확장은 두 개의 2차원 배열을 이용한 설계였습니다. PC-I는 이 개념을 사용한 최초의 악기로 1968년에 설계되어 1969년에 완성되어 1972년에 보고되었습니다. 컴퓨터 단층 촬영 모드와 구별되는 단층 촬영 모드에서의 PC-I의 최초 적용은 1970년에 보고되었습니다.[83] PET 개발과 관련된 많은 사람들은 곧 원형 또는 원통형 검출기 배열이 PET 계측의 논리적인 다음 단계라는 것을 알게 되었습니다. 많은 연구자들이 이 접근법을 취했지만, 현재 PET 모양의 원형이 된 링 시스템을 제안한 것은 제임스 로버트슨과[84] 조장희[85] 처음이었습니다.

David Townsend와 Ronald Nutt가 만든 PET-CT 스캐너는 2000년 타임지가 올해의 의학 발명품으로 선정했습니다.[86]

비용.

2008년 8월 현재, Cancer Care Ontario는 이 주에서 PET 스캔을 수행하기 위한 현재 평균 증분 비용이 스캔당 1,000–1,200 Can$이라고 보고하고 있습니다. 여기에는 방사선 의약품 비용과 스캔을 읽는 의사에 대한 급여가 포함됩니다.[87]

미국에서 PET 스캔은 ~5,000달러로 추정되며, 대부분의 보험 회사는 암 치료 후 일상적인 PET 스캔에 대해 비용을 지불하지 않는데, 이는 이러한 스캔이 종종 불필요하고 혜택보다 잠재적으로 더 많은 위험을 초래하기 때문입니다.[88]

영국에서는 성인 외래 환자 PET 스캔에 대한 국가 의료 서비스 참조 비용(2015-2016)이 £798입니다.[89]

호주에서는 2018년 7월 현재 전신 FDG PET에 대한 메디케어 급여 일정 수수료가 스캔 표시에 따라 953 호주 달러에서 999 호주 달러까지 다양합니다.[90]

품질관리

PET 시스템의 전반적인 성능은 Jaszczak 팬텀과 같은 품질 관리 도구로 평가할 수 있습니다.[91]

참고 항목

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외부 링크