기획·칼럼

반물질을 이용한 기기 ‘PET-CT’

[만화로 푸는 과학 궁금증] 양전자를 이용한 의료 기기의 원리

전자는 물질을 이루는 가장 작은 단위의 소립자 중 하나로 음의 전하를 갖는다. 그런데 우주에는 전자와 질량과 성질이 똑같으면서 양의 전하를 갖는 양전자가 존재한다. 모든 종류의 입자는 이렇게 질량과 성질이 똑같으면서 서로 반대의 전하를 갖는 입자가 존재하는데, 이런 입자를 반입자라고 하고, 반입자로 구성된 물질을 반물질이라고 한다.

반물질은 보통 사람들에게 공상과학 소설이나 어려운 물리학 도서에서나 볼 수 있는 용어로 알려졌지만, 현대의 뛰어난 과학기술 덕분에 이미 우리 주변에는 반물질을 이용한 기기들이 존재한다. 그 대표적인 것이 바로 의료 기기인 양전자 방출 단층 촬영 스캐너(Positron Emission Tomography scanner)이다.

양전자란 무엇인가?

1928년 영국의 이론 물리학자인 폴 디랙(P. Dirac)은 양자 역학의 기초방정식에 특수상대성이론을 결합하여 디랙 방정식을 만들었는데, 이 방정식을 통해 그는 전자와 질량 및 성질이 같으면서 전하가 반대인 새로운 종류의 입자가 있을 것으로 예측하였다. 그리고 4년이 지난 후인 1932년에 미국의 물리학자인 앤더슨(C. Anderson)은 우주선 관측 실험을 하는 중에 새로운 입자를 발견하였다. 그는 우주선이 자기장을 걸어둔 안개상자 안에서 두께 6mm의 납을 통과하게 하였는데, 전자와 같은 정도로 휘지만 휘는 방향이 반대인 입자를 관측하였다. 디랙이 예측했던 입자를 발견한 것이다. 그는 이 입자를 양전자라 이름 지었다.

양전자는 인간이 발견한 최초의 반물질로, 전자와 스핀과 질량, 전하의 크기도 같지만 반대 전하를 갖고 있다. 양전자는 주변의 다른 전자와 만나면 소멸되어 전자와 함께 없어진다. 그 과정에서 전자와 양전자의 질량이 에너지로 바뀌어 각각 광자를 방출하는데, 이 광자를 소멸 광자라고 부른다. 그런데 지구에는 전자가 많기 때문에 양전자가 생성된다고 해도 곧바로 전자와 만나 소멸하므로 양전자를 발견하기가 쉽지 않다.

양전자 방출 단층 촬영 스캐너는 무엇인가?

의료 기기인 양전자 방출 단층 스캐너는 우리에게 낯설 수 있다. 이 의료 기기는 단독으로 쓰이지 않고 다른 의료 기기와 결합하여 쓰이기 경우가 많기 때문이다. 특히 컴퓨터 단층 촬영 장치와 결합하여 PET-CT라는 의료 기기로 많이 쓰인다. 종합병원에서 흔히 볼 수 있는 PET-CT는 양전자 방출 단층 스캐너를 뜻하는 PET와 컴퓨터 단층 촬영을 뜻하는 CT가 결합한 말이다.

PET-CT는 PET와 CT를 차례로 촬영하고 두 영상을 정확하게 겹쳐 보여준다. ⓒ윤상석

PET은 몸속에서 특정 물질의 분포 및 대사량 등을 영상화하는 장비이다. PET은 살아 있는 사람이나 동물의 몸속에서 특정 화합물이 어디에서 어떻게 대사 되고 분포하는지 영상화할 수 있다. 그래서 PET은 조기암을 찾아내는 데 널리 쓰인다. 암세포는 정상 세포에 비해 매우 높은 대사량을 보이므로, 암세포로 인해 해부학적 변화가 일어나기 훨씬 전인 조기암 시기에도 PET를 이용하면 암세포의 유무와 위치를 확인할 수 있다.

또한, PET는 뇌 과학 분야에서도 널리 쓰인다. PET를 이용하면, 살아 있는 사람이 특정 작업을 수행할 때 뇌의 어떤 부위가 얼마나 에너지를 소모하는지 알 수 있고, 정신 질환 등에 걸렸을 때 뇌의 신경 전달 물질 분포에 어떤 변화가 생겼는지 알 수 있다. 그리고 사람 몸속에서 특정 약물이나 물질이 어디에 얼마나 분포하고 어디에서 대사 되는지를 영상화할 수 있기 때문에 신약 개발에도 많이 쓰인다.

PET-CT의 작동 원리

암세포를 찾기 위해 PET을 이용하려면 먼저 양전자를 방출하는 방사성동위원소가 붙은 포도당을 체내에 주입해야 한다. 방사성동위원소는 원자 번호가 같지만 질량 수가 다른 동위원소 중에서 방사선을 방출하는 원소이다. 방사성동위원소는 원자의 핵이 불안정하기 때문에 방사성 붕괴 과정을 통해 감마선이나 알파선 등과 같은 방사선을 방출하면서 안정한 다른 원소로 바뀐다. 방사성 붕괴 과정 중에 핵 안의 양성자가 중성자로 변하면서 양전자를 방출하는 것을 ß⁺ 붕괴 과정이라고 한다.

방사성동위원소의 핵 안의 양성자가 중성자로 변하면서 양전자를 방출하는 것을 ß⁺ 붕괴 과정이라고 한다.ⓒ윤상석

PET은 이 ß⁺ 붕괴 과정을 겪는 방사성동위원소를 사용한다. ß⁺ 붕괴 과정에서 방출되는 양전자는 주변의 전자와 결합해 소멸한다. 양전자와 전자는 소멸 과정에서 자신들의 질량을 에너지로 바꾸어 각각 511keV의 에너지를 가진 소멸 광자 1개씩을 서로 180도의 각도를 이루면서 방출한다.

양전자와 전자는 결합해 소멸하면서 각각 511keV의 에너지를 가진 소멸 광자 1개씩을 서로 180도의 각도를 이루면서 방출한다. ⓒ윤상석

이 소멸 광자는 매우 높은 투과성을 가졌기 때문에 몸속에서 몸 밖으로 쉽게 나올 수 있다. 이때 PET를 이용하면, 몸 밖으로 나온 511keV의 소멸 광자를 인식하여 몸속의 양전자 방출 동위 원소의 분포를 알 수 있다. 따라서 그 동위 원소가 붙은 포도당의 분포도 알아낼 수 있다. 우리 몸의 세포는 포도당을 에너지원으로 사용하기 때문에 우리 몸의 어느 부위에서 포도당을 어느 정도 사용하는지 알아내면 암세포를 찾아낼 수 있다.

그런데 PET가 포도당 대사량 등을 영상으로 만들 수는 있지만 매우 낮은 해상도 때문에 정확히 어느 부위에서 해당 대사량이 일어나는지 알아내기가 쉽지 않다. 이를 보완하기 위해 PET-CT가 개발되었다. CT의 높은 해상도의 해부학적 영상을 PET 영상과 정확히 겹쳐 볼 수 있기 때문에 PET의 낮은 해상도 문제를 해결할 수 있다.

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