PET 원리 ① PET은 무엇을 찍는가 — 구조가 아니라 기능
병원에서 “PET-CT를 찍어보자”는 말을 들으면 보통 암 검사를 떠올립니다. 그런데 PET이 CT나 MRI와 무엇이 근본적으로 다른지 설명하라고 하면 막히는 경우가 많습니다. 의료영상 AI를 하는 사람도 마찬가지입니다. 영상은 매일 다루지만 그 영상이 어떻게 만들어졌는지는 모르고 지나가기 쉽습니다.
이 시리즈는 PET이 영상을 만들어내는 과정을 물리 배경지식 없이도 따라올 수 있게 9편으로 나눠 정리한 것입니다. 첫 편은 큰 그림입니다. PET이 대체 무엇을 보려는 장비인지부터 짚습니다.
구조 영상과 기능 영상
의료영상은 크게 두 부류로 나뉩니다.
- 구조(anatomical) 영상: 몸 안에 무엇이 어디에 있는지를 봅니다. X-ray, CT, MRI가 여기에 속합니다.
- 기능(functional) 영상: 몸 안의 세포가 지금 무엇을 하고 있는지를 봅니다. PET이 대표적입니다.
비유하면 이렇습니다. CT는 도시의 지도입니다. 도로와 건물이 어디 있는지 정확하게 보여줍니다. PET은 교통량 지도입니다. 도로의 모양은 흐릿하지만, 지금 어느 길에 차가 몰려 있는지는 한눈에 보입니다.
같은 가슴 단면을 CT처럼(왼쪽), PET처럼(가운데) 흉내 낸 가상 영상입니다. 오른쪽은 둘을 겹친 PET/CT입니다.
왼쪽의 CT 같은 영상에서 폐 안의 작은 점은 “뭔가 있다”는 정도만 알려줍니다. 흉터일 수도 있고 혈관 단면일 수도 있습니다. 가운데 PET 같은 영상에서는 그 점이 주변보다 훨씬 활발하게 무언가를 하고 있다는 게 보입니다. 반대로 PET에서는 뼈나 폐의 경계가 거의 보이지 않습니다. 그래서 둘을 겹쳐 보는 PET/CT가 표준이 됐습니다.
암세포는 크기가 커지기 전에 대사부터 바뀝니다. 그래서 PET은 CT에서 아직 애매한 병변을 먼저 잡아내는 경우가 있습니다. 반대로 대사가 활발하다고 모두 암은 아닙니다. 염증도 밝게 보입니다.
밖에서 비추느냐, 안에서 나오느냐
두 부류의 차이는 신호가 어디서 오느냐에서 시작됩니다.
CT는 몸 밖에서 X선을 쏘아 통과한 양을 재고, PET은 몸 안에서 나오는 감마선을 받습니다.
CT는 투과(transmission) 영상입니다. 몸 밖의 X선관에서 X선을 쏘고, 반대편 검출기에서 얼마나 통과했는지 잽니다. 뼈는 많이 막고 폐는 거의 막지 않으니, 그 차이가 영상이 됩니다. 손전등을 손바닥에 대고 비춰 보는 것과 같습니다.
PET은 방출(emission) 영상입니다. 신호의 출처가 환자 몸 안에 있습니다. 환자에게 아주 적은 양의 방사성 물질을 주사하면, 그 물질이 몸 안에서 특정 조직에 모이고, 거기서 감마선이 나옵니다. 몸을 둘러싼 링 모양의 검출기가 이 감마선을 받아서 “어디에 얼마나 모였는지”를 역으로 알아냅니다. 반딧불이 어디에 몰려 있는지 사방에서 지켜보는 것에 가깝습니다.
이 차이가 뒤에 나올 모든 이야기의 출발점입니다. CT는 광원의 위치와 세기를 우리가 알고 있습니다. PET은 광원 자체가 우리가 알고 싶은 대상입니다.
추적자: 몸이 속아서 가져가는 물질
PET 검사에 쓰는 방사성 물질을 방사성 추적자(radiotracer) 라고 부릅니다. 핵심 아이디어는 단순합니다.
- 몸이 원래 쓰는 물질과 비슷한 분자를 만든다.
- 그 분자에 방사성 원자를 하나 붙인다.
- 몸은 이게 평소 쓰던 물질인 줄 알고 필요한 곳으로 가져간다.
- 방사성 원자가 신호를 내므로, 그 물질이 어디로 갔는지 밖에서 추적할 수 있다.
주사하는 양은 극히 적습니다. 나노몰(10⁻⁹ mol)보다도 적은 수준이라 몸의 생리 작용을 바꾸지 않습니다. 이렇게 아주 적은 양으로 과정 자체는 건드리지 않고 지켜보는 것이 “추적자 원리(tracer principle)”입니다. PET이 극미량의 분자 활동까지 볼 수 있는 이유이기도 합니다.
가장 많이 쓰는 추적자, FDG
임상 PET의 대부분은 FDG(¹⁸F-fluorodeoxyglucose) 를 씁니다. 이름 그대로 포도당(glucose)을 살짝 바꾼 분자에 방사성 불소(¹⁸F)를 붙인 것입니다.
FDG가 특별한 이유는 세포 안에 갇힌다는 점입니다.
포도당은 세포 안에서 계속 분해되지만, FDG는 첫 단계에서 멈춰 쌓입니다.
- 포도당과 FDG 모두 같은 통로(GLUT)로 세포에 들어갑니다.
- 둘 다 같은 효소(hexokinase)가 인산을 붙여 줍니다.
- 포도당은 그다음 단계로 넘어가 에너지로 쓰이고 사라집니다.
- FDG는 구조가 살짝 달라서 다음 효소가 받아주지 않습니다. 인산이 붙은 상태에서는 세포 밖으로도 잘 못 나갑니다. 그래서 그 자리에 쌓입니다.
결과적으로 포도당을 많이 가져가는 세포일수록 FDG가 많이 쌓이고, PET에서 밝게 보입니다. 포도당을 얼마나 쓰는지를 “쌓인 양”으로 바꿔서 읽는 셈입니다.
많은 암세포는 산소가 충분해도 포도당을 비효율적으로 대량 소모하는 경향이 있습니다(Warburg 효과). FDG PET이 암 진단에 널리 쓰이는 이유입니다.
그렇다고 암만 밝은 건 아닙니다. 원래 포도당을 많이 쓰는 곳도 밝게 보입니다.
| 부위 | 밝게 보이는 이유 |
|---|---|
| 뇌 | 포도당을 거의 유일한 에너지원으로 대량 소모 |
| 심장 | 근육이 계속 일함 (식사 상태에 따라 크게 달라짐) |
| 신장·방광 | FDG가 소변으로 배출됨 |
| 염증·감염 부위 | 면역세포도 포도당을 많이 씀 |
그래서 검사 전에 최소 4~6시간 금식을 합니다. 혈액 속 포도당이 많으면 FDG와 경쟁해서 영상이 나빠지고, 인슐린이 근육으로 FDG를 끌어가기 때문입니다. 주사 후에는 약 1시간(가이드라인 기준 55~75분) 조용히 쉬면서 FDG가 자리 잡기를 기다린 뒤 촬영합니다.
FDG 외에도 목적에 따라 다른 추적자를 씁니다. 알츠하이머 진단용 아밀로이드 추적자, 전립선암용 PSMA 추적자 같은 것들입니다. 원리는 같습니다. “몸이 가져가는 분자 + 방사성 원자”입니다.
PET이 잘하는 것과 못하는 것
| PET | CT | |
|---|---|---|
| 보는 것 | 대사, 수용체, 혈류 같은 기능 | 밀도 차이로 본 구조 |
| 공간 해상도 | 약 3~5 mm | 1 mm 이하 |
| 감도 | 극미량(나노몰 이하)도 검출 | 조영제도 밀리몰 수준 필요 |
| 촬영 시간 | 주사 후 대기 약 1시간 + 촬영 수십 분 | 수 초 |
| 피폭 | FDG 약 5~7 mSv (CT 별도) | 검사 종류에 따라 수~십수 mSv |
PET은 흐릿하지만 민감합니다. 해상도는 CT의 몇 분의 일 수준이지만, CT로는 볼 수 없는 분자 수준의 활동을 봅니다. 그래서 요즘 PET 스캐너는 거의 모두 CT(또는 MRI)와 한 몸으로 나옵니다. CT가 위치를 알려주고, PET이 그 위치에서 무슨 일이 일어나는지 알려줍니다. 뒤에서 보겠지만 CT는 PET 신호를 보정하는 데도 쓰입니다(7편).
FDG 약 300 MBq를 쓰면 유효선량은 약 5~6 mSv입니다. 전 세계 평균 자연방사선(연 약 2.4 mSv)의 2년치 정도입니다. 방사성 불소는 반감기가 약 110분이라 하루 정도 지나면 거의 사라집니다.
앞으로의 여정
PET 영상 한 장이 만들어지기까지는 생각보다 많은 단계를 거칩니다. 이 시리즈는 그 순서를 그대로 따라갑니다.
몸 안의 물리 → 검출 하드웨어 → 데이터 → 영상과 숫자
- PET은 무엇을 찍는가 — 지금 이 글
- 추적자와 양전자 — 방사성 원자는 어떻게 신호를 내는가
- 소멸 — 왜 감마선이 두 개, 정반대로, 511 keV로 나오는가
- 검출기 — 보이지 않는 감마선을 어떻게 전기 신호로 바꾸는가
- 동시계수와 LOR — 두 신호를 짝지어 “직선”을 얻는 방법
- Sinogram — 수백만 개의 직선을 표 하나로 정리하기
- 보정 — 몸이 가로막고 튕겨낸 신호를 되살리기
- 영상 재구성 — 직선들로부터 영상을 되찾는 역문제
- 정량화와 최신 흐름 — SUV, TOF, 그리고 딥러닝
정리
- CT와 MRI는 구조를, PET은 기능을 봅니다. 지도와 교통량 지도의 차이입니다.
- PET은 방출 영상입니다. 신호가 몸 안에서 나오고, 그 출처가 곧 우리가 알고 싶은 것입니다.
- 추적자는 몸이 평소 쓰는 물질을 흉내 낸 분자에 방사성 원자를 붙인 것입니다. 극미량이라 생리 작용을 바꾸지 않습니다.
- FDG는 포도당처럼 세포에 들어가지만 도중에 갇힙니다. 그래서 쌓인 양이 포도당 사용량을 반영합니다.
- PET은 흐릿하지만 민감합니다. 그래서 CT와 짝을 이룹니다.
다음 편에서는 FDG에 붙은 방사성 불소가 실제로 무엇을 내뿜는지, 그리고 왜 하필 “양전자”인지 살펴봅니다.
참고문헌
- Boellaard R, Delgado-Bolton R, Oyen WJG, et al. FDG PET/CT: EANM procedure guidelines for tumour imaging: version 2.0. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2015;42:328–354. PMC4315529
- Delbeke D, Coleman RE, Guiberteau MJ, et al. Procedure guideline for tumor imaging with ¹⁸F-FDG PET/CT 1.0. J Nucl Med. 2006;47(5):885–895.
- Beyer T, Townsend DW, Brun T, et al. A combined PET/CT scanner for clinical oncology. J Nucl Med. 2000;41(8):1369–1379.
본문의 수치는 위 문헌과 대조해 확인했습니다. 그림은 모두 위 수치와 물리 식을 바탕으로 Python으로 직접 계산해 그린 것입니다.
PET 원리 시리즈