핵의학은 방사성동위원소를 이용하여 질병을 진단하고 치료하는 임상의학의 한 분야이다. 핵의학과에 진료를 받으러 오신 분들은 방사성의약품(radiopharmaceutical)을 인체에 주입하여 검사 및 치료를 진행하게 된다. 방사성의약품은 방사성동위원소인 핵종과 검사 목적에 따른 추적자가 결합된 방사성추적자(radiotracer)로 이루어진다. 어떤 핵종을 사용하느냐에 따라 PET을 찍을지 감마카메라로 찍을지 검사의 방법이 결정되고, 또한 핵종이 방출하는 방사선의 종류에 따라 검사를 할지 치료를 할지 결정되기도 한다. F-18(플루오린, 불소)은 반감기 약 110분짜리 핵종으로 핵의학과에서 PET 검사로 사용하는 대표적인 방사성동위원소인데 Tc-99m(테크네슘)은 반감기 6시간짜리 핵종으로 핵의학과에서 감마카메라로 촬영하는 대부분의 검사에서 사용하는 방사성동위원소이다. F-18과 Tc-99m은 불안정한 상태에서 감마선을 방출하게 되고, 투과력이 높은 감마선은 인체를 뚫고 나와 PET이나 감마카메라에 검출된다. 검사 종류에 따라 다른 추적자가 결합된 방사성의약품은 검사 목적에 따라 인체 내에서 다른 분포를 나타나게 되고, 그런 특성을 검출한 방사선을 이용하여 영상으로 재구성하는 것이 핵의학 검사의 기본이다. 현재 핵의학과에서는 분자영상, 종양, 심장순환기, 신경계, 내분비계, 근골격계, 소화기, 비뇨생식기, 호흡기 등 다양한 분야의 여러 가지 검사를 시행하고 있다. 핵의학과의 주된 업무는 진단을 위한 검사이지만, 치료 업무도 보조적으로 시행하고 있다.
F-18이나 Tc-99m과는 다르게 일부 핵종은 감마선이 아닌 알파선 또는 베타선을 방출하게 된다. 알파선과 베타선은 감마선과는 다르게 양 또는 음의 전하를 띠게 되어 투과력이 매우 약해 대부분의 방사선이 인체를 뚫고 나오지 못하고 인체 내에 직접적으로 에너지를 전달하게 되어 치료에 이용할 수 있다. 이렇게 치료로 사용하는 대표적인 핵종이 I-131(요오드, 옥소)로 베타선을 방출하는 방사성동위원소이다.

핵의학 검사는 크게 PET과 감마카메라로 구분할 수 있다. PET(positron emission tomography)은 양전자방출단층촬영으로 PET용 핵종은 양전자를 방출하게 된다. 방출된 양전자는 핵 근처에서 외곽전자를 만나 소멸하면서 두 개의 방사선을 서로 다른 방향으로 내보내고, 이 두 개의 방사선을 동시에 검출하는 검사 방식을 일컫는 용어가 바로 PET이다. 어떤 PET용 방사선추적자를 사용하느냐에 따라 PET 검사도 매우 다양한 종류가 있다. 가장 대표적인 PET 검사가 FDG(fluorodeoxyglucose) PET으로 FDG는 영양분인 포도당의 유사체이다. 그 외에도 FP-CIT PET, flutemetamol PET, F-DOPA PET 등을 시행하고 있다.
감마카메라는 대부분 Tc-99m을 핵종으로 결합한 방사선추적자를 사용하는 검사의 촬영에 사용하게 된다. Tc-99m은 PET용 핵종과는 달리 한 번의 핵붕괴로 불안정한 핵에서 하나의 감마선이 바로 방출하게 되는데 감마카메라를 고정시키고 한쪽 면에서만 영상을 얻으면 평면 영상을 얻게 되고, 감마카메라를 360도 회전시키면서 촬영하면 단층영상인 SPECT(single photon emission computed tomography, 단일광자단층촬영) 영상을 얻게 된다. 감마카메라 검사로 가장 대표적인 것이 뼈스캔(bone scan)이고 SPECT로 영상을 얻으면 bone SPECT 검사가 된다. 뼈스캔은 암 환자의 뼈전이, 골절, 뼈의 퇴행성변화, 골수염 등 매우 다양한 임상 소견에서 시행할 수 있다. 그 외 감마카메라 검사로 심근혈류를 평가하는 myocardial SPECT, 뇌혈류를 평가하는 brain diamox SPECT, 갑상선스캔, 부갑상선스캔, 간담도스캔, 신장스캔, 침샘스캔, 폐관류스캔 등 여러 가지 검사를 시행하고 있다. 마지막으로 DEXA(dual-energy X-ray absorptiometry)를 이용한 골밀도검사(BMD)와 지방 및 근육을 측정하는 체성분검사(body composition scan)도 핵의학과에서 시행한다.

PET-CT는 PET과 CT가 결합된 검사 방식으로 PET 영상과 CT 영상을 따로 얻은 다음 결합하는 퓨전 영상을 말한다. PET 영상은 인체 내에서 세포 단위에서 일어나는 분자생물학적인 현상을 영상으로 보여주지만 해부학적 정보는 부족한 단점이 있다. 이런 단점을 극복하기 위하여 해부학적 영상인 CT를 결합하여 위치 정보까지 얻게 되면 분자생물학적인 현상이 몸의 어느 위치에서 활발하게 일어나고 있는지 알 수 있게 된다.
가장 대표적인 PET-CT 검사가 FDG PET-CT로 주로 암 환자 평가에 시행하게 되는 것으로 암세포는 정상세포와는 달리 포도당 대사가 매우 항진되어 있다. 이런 암세포의 대사적 특징을 영상으로 나타내는 검사가 FDG PET-CT로, 주로는 암 환자의 최초 병기 설정에 사용하게 된다. 영상의학과의 CT나 MRI와는 달리 단 한 번의 검사로 몸 전신 평가가 가능하여 특히 전이 평가에 유용하게 사용하고 있다. 병기 설정 외에도 치료 반응 평가 및 재발 평가 등에도 시행할 수 있다.
다른 PET-CT 검사로 파킨슨병의 평가에 유용하게 사용되는 FP-CIT PET-CT가 있다. 파킨슨병의 핵심 신경전달물질인 도파민의 합성 과정을 영상화한 검사로 파킨슨병 진단뿐만 아니라, 비전형파킨슨증후군인 다발계위축증(multiple system atrophy), 진행성핵상마비(progressive supranuclear palsy), 피질기저핵변성(corticobasal degeneration) 등의 감별진단에도 도움을 주는 검사이다.
Flutemetamol PET-CT는 알츠하이머 치매의 생체표지자 한 축을 담당하는 아밀로이드반(amyloid plaque)을 평가하는 검사로써, 알츠하이머 치매 진단에 필수적인 영상이다.