공부하고 정리하고

 오늘은 방사성동위원소가 진단 분야에서 활용이 되는 PET에 대해서 알아보겠습니다.

양전자란?

양전자라는 말이 익숙하신가요?
제가 예전에 소개했던 반물질에 대해 아시나요? 를 읽어보신 분이라면 익숙하시겠지만 그래도 한 번 더 설명하도록 하겠습니다.

양전자는 흔히 우리가 아는 전자와 부호가 반대인 전자입니다. 그래서 반입자라고도 합니다.
이 반입자는 입자와 만나 소멸하는 반응을 굉장히 잘합니다. 그런데 우리의 우주는 입자와 반입자의 균형이 깨져 입자가 가득한 세상을 이루고 있습니다. 그래서 반입자가 생겨나면 바로 주변의 입자들과 반응하여 소멸하게 됩니다. 이러한 현상은 전자와 양전자 사이에서도 일어납니다.
이를 쌍소멸이라고 하는데 전자와 양전자가 만나서 사라지고 감마선 또는 다른 입자의 형태로 변환됩니다.

이라는 식에 따라서 말입니다.

이때 조건이 있습니다. 이 반응 시 전하량과 운동량, 에너지가 보존이 되어야 합니다.
전하량이 보존이 되기 위해서는 전하량의 합이 0이 되어야 합니다. 그런데 양전자와 전자는 부호만 다르고 양 자체는 같으니까 합하면 0이되어 전하량이 보존이 됩니다.
운동량과 에너지를 보존하기 위해서는 우선 에너지의 경우는 반응 전 후의 에너지 합이 같아야 합니다. 하나의 전자가 가지는 정지질량에 해당하는 에너지는 0.511MeV이고 두 개가 만나 대략 1.1MeV의 에너지가 반응 후의 에너지입니다.
그리고 운동량의 경우는 두개의 입자가 만나서 생기는 결과인 감마선이 반응 전 입자와 운동량 보존을 이루기 위해서는 충돌해서 반응 전 운동량의 합이 0임을 고려해서 반응 후 감마선의 운동량도 0이 되어야 합니다.
이를 위해서는 에너지를 반으로 나눠서 반대 방향으로 방출된다면 운동량의 합을 0으로 만들 수 있습니다.

그래서 결론은 다음과 같습니다.

양전자는 전자와 만나서 쌍소멸을 한다.

쌍소멸시 생성되는 감마선은 두 개로 나뉘어 반대방향으로 방출된다.

자 이제 본론으로 이제 들어가 보겠습니다.

PET?

PET는 Positron Emission Tomography라 하여 양전자 방출 단층 촬영을 말합니다.
양전자를 방출하는 물질을 사용한 단층 촬영법입니다.

그렇다면 왜 양전자를 방출하는 물질을 사용할까요?

양전자는 쌍소멸이라는 반응을 통해 반대 방향으로 나아가는 감마선을 방출하는 특징을 가졌습니다. 즉, 검출기에서 감지가 되었을 때 이 감마선이 어디서 왔는지 역으로 예측이 가능합니다.
위치를 확인할 때 우리는 종양이 있는 곳을 찾아내고 싶습니다. 그래서 이 양전자를 내는 물질을 종양에 보내야 합니다. 종양이 없는 데서 이 양전자를 내고 있으면 PET라는 장비는 무쓸모가 되버리니까요.
그렇다면 한 번 생각해봅시다. 인체 내부에 종양과 같은 것을 찾아내기 위해서 우리가 어떤 방사성동위원소를 사용해야 할까요.? 두가지 정도의 조건이 필요할 것으로 생각이 됩니다.

1. 인체와 거부반응이 없어야 한다.
   거부반응이 없으려면 최대한 화학적 물리적으로 비슷한 물질을 사용해야 합니다. 그래서 우리 몸을 이루고 있는 주요 구성 성분인 산소(O), 질소(N), 탄소(C), 불소(F)의 방사성 동위원소를 활용한다고 합니다.
2. 인체보다는 암과 활발한 반응이 일어나야 한다.
   1번 조건을 통과해서 인체에 들어왔지만 말 그대로 반응이 없이 몸밖으로 배출이 된다면 의미가 없습니다. 그래서 투여되는 방사성 동위원소가 암세포에 모이도록 만들어 줄 필요가 있습니다.

그래서 보통 사용하는게 방사성 의약품인 F-18-불화디옥시포도당이라는 물질이라는데 포도당 유사물질이라고 합니다. 종양이 포도당을 많이 사용하는 특징이 있어 이 물질을 투여하면 종양에 많이 모이게 되고 검출기에서도 이부분이 더 많이 검출되게 됩니다.

영상을 어떻게..?

자 이제 CT에서와 유사합니다. 의료분야에서의 활용2 CT
감마선을 검출하는 검출기가 둘러쌓여있고 이를 검출했을 때 나오는 위치를 데이터화해서 이를 영상화하게 됩니다.
CT와 다른점은 CT는 외부에서 방사선을 조사시켜 감쇠된 정도의 차로 영상을 얻은 반면 PET는 암세포의 존재여부로 영상이 달라지게 됩니다.
그래서 PET의 경우는 암세포와 같은 곳에 모여서 검출되는 특징이 있는것처럼 몸안의 구조를 분별있게 영상화해주지는 못합니다. 이를 보완하기위해 CT의 해부학적 영상을 같이 보도록 보통 PET-CT로 같이 사용하게 됩니다.

PET 말고도 SPECT라는 감마카메라도 존재하는데 양전자를 사용하는 PET과 달리 감마선을 내는 물질을 사용하는 차이가 있지만 영상을 얻어내는 기본적인 원리는 동일한 것으로 알고 있습니다. 그래서 생략하도록 하고 진단 분야에서의 활용은 끝을 맺겠습니다.

오늘은 방사성동위원소의 이용 분야에서 마지막인 의료분야에 대해서 알아보려고 합니다.
하지만 소개하고자 하는 글이 길기 때문에 이 또한 몇 번에 걸쳐 소개하겠습니다.
앞으로 X-ray를 시작으로 CT, PET, 그리고 radiotherapy까지 소개하겠습니다.
그래서 X선을 통한 진단을 오늘 소개할 예정입니다.
그런데 사실, 이에 관한 포스팅은 예전에 한 적이 있습니다.
삼성전자: X선 피폭량 1/10로 줄여드립니다~ 에서 말이죠.
하지만 RI시리즈로 포스팅하고 있는 만큼 한번 더 소개하도록 하겠습니다.

X-ray란?

X선은 미지수 X에서 따온 말로 처음에 알 수 없는 빛이라 하여 X선이라는 말로 지었습니다.
X선은 원자핵 주위를 돌고 있는 전자가 여기되었다가 떨어지며 안정화가 되면서 에너지를 빛으로 방출한 결과물입니다.

조금 더 자세히 이야기하자면

양자역학 혹은 화학에서 핵의 주위를 돌고 있는 전자는 한 궤도가 아닌 여러 궤도를 가지며 이 궤도가 연속적이지 않고 불연속적으로 특정 궤도를 가진다고 합니다. 나무의 나이테를 떠올려보시면 원들이 동심을 가지고 있죠? 그런 것처럼 여러 원들이 각각의 궤도를 뜻합니다. 이를 반지름이 큰 원이 높은 에너지를 가졌다 하고 핵과 가장 가까운 궤도가 낮은 에너지를 가졌다고 합니다. 즉, 가까울수록 더 큰 지배를 받는다는 말입니다. 이를 가장 가까운 궤도부터 K 껍질, L 껍질, M 껍질, N 껍질이라고 합니다.

그렇다면 이 껍질들 사이 전자들은 어떻게 이동할까요? 양자역학에 근거하여 확률적으로 양자도약을 하게 됩니다.
그런데 우리가 반지름이 작은 안쪽 전자들에게 에너지를 준다고 보면 에너지가 높아진 전자는 높은 확률로 높은 에너지의 궤도로 전이가 됩니다. 하지만, 이 상태는 불안정합니다. 자연계는 외부의 힘이 없다면 안정한 상태로 돌아가려고 합니다. 이 전자도 마찬가지입니다. 다시 원래의 안정된 상태로 돌아가려고 합니다. 이 안정된 상태로 돌아가려면 어떻게 해야 할까요? 먹은 걸 다시 돌려줘야 합니다. 그래서 전자는 에너지를 방출시키고 떨어집니다. 이때 에너지를 방출하는 방법은 경쟁 관계에 의해 오제전자 혹은 X선으로 방출을 합니다. 이때의 X선을 특성X선이라 합니다.
우리는 이 X선을 사용하게 되는것이구요.

그리고 한 가지 다른 방법은 전자가 클롱힘을 통해 궤도가 휘게 될 때 전자기파를 방출하는데 이때의 전자기파를 연속 엑스선이라고 합니다. 연속인 이유는 다양한 에너지를 가진 빛이 방출이 되기 때문입니다.

이 X선을 평소 사진 찍는 취미가 있던 뢴트겐이 부인의 손을 찍어내는 결과를 만들어 내었고 의료분야의 진단 분야에서 유용하게 활용이 되기 시작합니다.

원리

원리는 단순합니다.
X선은 우리의 눈이 보는데 사용하는 가시광선보다 투과성이 높습니다. 그렇기에 인체를 투과하여 그 결과물을 받아낼 수 있습니다.

그런데 투과를 하면서 X선은 상호작용을 합니다. 왜냐하면 물질과 상호작용을 하면 광전효과 혹은 컴프턴산란 또는 쌍소멸의 방법으로 에너지를 내주게 됩니다. 그럼 투과를 못 하게 되거나 하더라도 에너지가 낮은 X선이 나오게 됩니다. 그럼 X선 다발을 생각해보죠. 수천만 개가 지나간다고 생각해봅시다.
그렇다면 X선 다발은 상호작용으로 에너지 밀도가 줄어듭니다.
그런데 줄어드는 정도가 물질에 따라 다릅니다. 물질마다 밀한정도가 다르고 각각의 물질을 이루고 있는 원자들 또한 다르기 때문입니다.
따라서 물질이 밀할수록 그리고 주기율표상에서 원자번호가 클수록 통과하기 힘든 물질이 됩니다.

활용

우리가 해야 할 일이 무엇일까요? 이 줄어든 결과물을 분석하면 됩니다.

과거 우리는 필름지를 활용해 이 결과물을 분석했습니다.

이 부분은 의료분야 전공이 아니기 때문에 지금도 사용하는지는 잘 모르겠습니다. 허나 제가 본최근 병원들은 다들 이 방법을 사용하지는 않는 것 같았습니다.

X선을 흡수한 물질이 감광하여 흔적이 나타나는데 뼈와 살 중에 뼈가 더 많은 상호작용을 통해 투과성이 더 낮습니다. 그래서 흔적에 차이가 생기게 되고 이를 분석하는데 사용하게 됩니다.

최근에는 검출기를 사용합니다. 디지털 검출기로 투과한 X선을 검출기를 통해 전자를 방출시키게 해서 이 전자를 계측하여 감쇠된 정도를 비교하게 됩니다. 그 결과를 이미지화해서 컴퓨터로 보게 되는 겁니다. 이 방법은 방사선 검출기에서도 동일하게 사용되는 방법이기도 합니다. 의료용은 시각적인 분석을 위해 이미지화를 한 차이가 있지만요.

X선을 얻는 방법?

얻는 방법은 방사성동위원소 중에 X선을 방출하는 동위원소를 밀봉시켜 보관하고 적절한 필터를 활용해 X선만 방출하도록 만든 장치를 활용할수 있습니다. 하지만 이 방법을 활용하면 보관이나 관리에 있어 까다로운 단점이 있습니다.

또 다른 방법은 전자를 가속시켜 금속판(텅스텐)으로 보내 부딪히면 위에서 언급한 특성 X선이 방출이 되는데 이 X선을 활용하는 방법이 있습니다. 이 장치는 가동을 하지 않는다면 방사선이 안나오는 장점이 있습니다.

마치며..

X선을 이용한 가장 기본적인 이 진단 방법은 뼈가 부러지거나 금이 갔을 때 정확하게 진단하는데 도움을 줍니다. 정말 현대 인류에 없어서는 안될 장비 중 하나입니다. 그렇기에 X선을 발견한 뢴트겐과 장치를 개발한 공학자들과 이 장치를 가지고 분석해 아픈 곳을 진단해주는 영상의학과 의사분들에게 감사하게 됩니다.
다음시간에는 CT장비에 대해서 간략하게 소개하도록 하겠습니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”