이동수교수팀 (서울의대 핵의학교실 이동수, 이재성 교수) 한국과학재단
2005년 대표적 우수연구성과 50선에 선정

1. 연구성과제목
  H215O동적 양전자단층촬영을 이용한 국소 심근혈류 파라미터 영상기법 개발

2. 연구성과 대표자
  이동수 서울의대 핵의학교실 교수

3. 연구성과와 관련된 연구과제 수행현황
  과제명: 핵의학영상처리기술개발, SPECT/PET 영상의 물리적 인공물 보정 및 생체 현상의 정량화 연구

4. 연구성과 내용

    ◈ 연구배경 및 관련분야 연구동향
15O을 표지한 방사성 물(H215O)은 PET을 이용한 뇌 및 심근관류 측정에 널리 쓰이고 있는 추적자다. 정맥 주사 후에 관상동맥을 통해 심근에 도달하는 H215O는 혈류 흐름에 따라 자유로이 확산되므로 대사 이상에 영향을 받지 않고 심근관류를 직접적으로 반영하는 이상적인 추적자다. 또한 15O의 반감기가 2분으로 매우 짧아 휴식기와 부하기 심근관류를 연속적으로 측정하여 혈류예비능을 평가하거나 18F-FDG 등의 PET 영상을 이어서 얻을 수 있는 장점이 있다. 이러한 동적 H215O을 추적자 동력학 기법을 이용하여 분석하면 혈류의 절대 값을 정량화 할 수 있다. 즉, 동적 심근 PET 영상을 얻고, PET 영상에서 구한 조직 내 시간-방사능 곡선과 동맥혈의 시간-방사능곡선(입력함수)과의 관계를 나타내는 추적자 동력학의 수학적 모델을 이용하여 국소 심근관류를 정량적으로 구할 수 있다. 그러나 심근관류 추적자로서의 좋은 특성을 갖고 있음에도 불구하고 H215O PET이 어디서나 쉽게 이용되지 못하고 있다.

   ◈ 연구수행 내용 및 결과
이처럼 심근관류 추적자로서의 좋은 특성을 갖고 있음에도 불구하고 H215O PET이 어디서나 쉽게 이용되지 못하는 이유로는 15O이 반감기가 짧아 사이클로트론이 필수적인 점과 정맥주사 후에 H215O이 매우 빠르게 동맥혈과 심근 사이에 평행상태에 도달하므로 추적자 동력학 적용을 위한 좌심실 입력함수의 시간-방사능 곡선을 얻기 어려운 점이다. C15O PET을 이용하여 입력함수를 얻을 수 있으나 방사성기체를 수송하기 위한 추가 장치가 필요하고 C15O PET과 H215O PET 사이의 환자의 움직임에 의한 혈류왜곡의 문제가 생긴다. 따라서 이 연구에서는 인자분석, 독립성분 분석 등의 다변수분석기법을 이용한 동적 심근 H215O PET의 영역분할 및 좌심실 입력함수 추출 기법을 개발하였다.

PET 영상의 각 화소별로 추적자 동력학 분석을 수행하여 얻은 생리적 변수들을 영상의 형태로 재구성한 파라미터 영상은 이러한 생리적 변수들의 공간분포에 대한 정보를 제공해 줄 수 있어 심근혈류 연구에 중요한 도구이나 동적 H215O을 이용하여 심근관류 파라미터 영상을 만들고 가시화하는 기법은 아직 완전히 확립되어 있지 않았다. 이는 심근의 시간-방사능 곡선은 심근 벽의 두께가 PET 해상력에 비해 얇고 촬영하는 동안 심장이 움직임에 따라 생기는 부분체적 효과(partial volume effect)와 좌심실 입력함수가 심근에 흘러 넘쳐서 보이는 방사능 흘러넘침(spillover)의 영향을 받으므로 이들을 보정하기 위한 파라메터들이 동력학 모델에 포함되어야 하기 때문에 동력학 분석이 복잡해지기 때문이다. 또한 각 화소의 심근 시간-방사능 곡선은 낮은 계수율 때문에 잡음에 의한 영향이 많은 문제가 있으며 또한 각 화소마다 비선형곡선 정합을 하게 되면 계산 시간이 매우 길어지므로 이를 해결할 수 있는 방법 또한 필요하다. 따라서 이 연구에서는 인자분석을 이용하여 좌심실 입력함수를 구하고, 동적 PET 영상에서 좌?우심실 혈액 풀의 영향을 제거하여, 심근 시간-방사능 곡선의 모델을 단순화시킨 후에 클러스터 분석기법을 이용하여 국소심근혈류의 파라메트릭 영상을 구성함으로써 영상 질을 향상시키고, 계산 시간을 500배 이상 단축시킬 수 있었다. 또한 부분체적 효과와 방사능 흘러넘침 효과에 대한 변수를 포함한 조직 시간-방사능 곡선과 입력함수의 관계를 선형식으로 변형하여 linear least squares(LLS) 방식으로 세 파라미터를 동시에 추정하는 방법을 개발하였으며 이는 C15O PET이나 인자분석을 통해 혈액 풀의 효과를 추정하고 빼주는 방법에 비하여 분석이 간편하고 오차 요인이 적은 장점이 있어 현재까지 개발된 H215O PET의 심근혈류 파라미터 영상기법 중에 가장 우수한 방법이다.

   ◈ 연구성과의 파급효과
이 연구에서 개발된 H215O 심근 PET 영상처리 방법 및 심근혈류 파라미터 영상기법은 관상동맥 질환 환자에서 심근혈류의 이상을 찾는 데 유용할 것이며, 관동맥 경련, X 증후군, 소혈관 질환, 당뇨병성심근병증과 같이 병태생리가 알려져 있지 않은 심장 질환의 혈류예비능과 불균일성을 해석하여 병인기전을 밝히고 치료방법을 모색하는데 기여할 것이다.

   ◈ 연구성과의 활용사례 및 활용계획
이 연구에서 개발된 H215O 심근 PET 영상처리 방법은 현재 병태생리가 알려져 있지 않은 심장 질환의 혈류예비능을 해석하는데 적용되어 활용되고 있다. 그 한 예가 H215O과 cold pressor test를 이용한 흡연자에서의 관상동맥 내피세포 의존성 심근 혈류 예비능의 평가(황 등, 대한핵의학회지) 연구로 젊은 흡연자에서 심근혈류의 예비능이 비흡연자에 비하여 낮은 경향을 보임으로써 흡연에 의한 관상동맥 내피세포의 기능장애를 평가할 수 있었다. 또한 이 연구에서 개발한 인자분석에 의한 입력함수 추출 기법과 파라미터 영상기법은 신장혈류 영상을 구성하고 정량화하는 연구에도 활용되고 있다.

 
선형회귀 분석법으로 구한 정상인의 심근혈류 파라미터 영상