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1ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Quantification en SPECT/PET Philippe Ciuciu (CEA/SHFJ)

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1 1ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Quantification en SPECT/PET Philippe Ciuciu (CEA/SHFJ)

2 2ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Cours préparé à partir des cours de Master de physique médicale, Univ. Paris Sud (Orsay) dIrène Buvat (CNRS, INSERM U678) Et de Régine Trébossen (CEA/SHFJ)

3 3ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Au delà des images : la quantification Etablir la relation entre la valeur dun pixel et la concentration de radiotraceur dans la région correspondante N X kBq/ml

4 4ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Le diagnostic différentiel Le pronostic La prise en charge et le suivi thérapeutique Introduction : pourquoi la quantification ? densité de transporteurs dopaminergiques type de démence grade de la tumeur survie fraction déjection traitement régression du métabolisme glucidique poursuite du traitement Caractérisation objective des observations, susceptible daméliorer :

5 5ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Obstacles à la quantification Mouvements du patient : Physiologiques Involontaires Statistiques émission aléatoire des photons ou des positons Physiques atténuation, diffusion, fortuits (PET) Technologiques uniformité résolution spatiale limitée et non-stationnaire bruit de mesure temps mort Algorithmiques reconstruction tomographique

6 6ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ 2 types de mouvements : fortuits physiologiques : cardiaque, respiratoire, … Respiration normale : mouvement damplitude de 1 à 3 cm, ~ x18 /mn SPECT cardiaque Pitman et al, J Nucl Med 2002: modification du rapport dactivité antérieure/latérale de ~25% PET FDG pulmonaire Nehmeh et al, J Nucl Med 2002: volume apparent des lésions augmenté de 10% à plus de 30% du fait du mouvement valeur de fixation diminuée de 5% à plus de 100% avec flou cinétique « sans » flou cinétique Le mouvement et ses conséquences

7 7ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Mouvements fortuits : tendre vers des examens plus courts Mouvements physiologiques : - pas de correction systématique - synchronisation cardiaque classique (TEP / TEMP) - vers la synchronisation respiratoire (notamment TEP oncologique pulmonaire) Corrections de mouvements : état de lart ?

8 8ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Dépend du lieu démission sur la ligne de projection Dépend de la densité du milieu atténuant épaisseur datténuation moitié (EAM) à 140 keV poumons m = 0,04 cm -1 tissus mous m = 0,15 cm -1 os cortical m = 0,30 cm -1 Dépend de lénergie des photons EAM dans leau Tc-99m (140 keV) EAM = 4,8 cm Tl-201 (70 keV) EAM = 3,6 cm Atténuation en SPECT * N0N0 d 0 18 cm 0 5 cm N = N 0 exp - (l) dl d 0

9 9ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Ne dépend pas du lieu démission sur la ligne de projection Dépend uniquement de latténuation intégrale sur d1+d2=D Dépend de la densité du milieu atténuant comme en SPECT Identique pour tous les émetteurs de positons puisque tous donnent lieu à des photons g de 511 keV A 511 keV, = 0,096 cm -1 dans les tissus mous ( = 0,15 cm -1 à 140keV) Plus pénalisante en PET, car 2 photons doivent atteindre le détecteur N 1 = N + exp - (l) dl d1d1 0 * d1d1 d2d2 N 2 = N + exp - (l) dl d2d2 0 N 1 N 2 = N + 2 exp - (l) dl = N + 2 exp - (l) dl d1d1 d2d2 0 D Atténuation en PET

10 10ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ TEMP TEP pas de quantification absolue possible sans correction de latténuation dépend de la densité des tissus atténuants sous-estimation de lactivité de plus de 70% non atténuéatténué atténué non atténué Latténuation et ses conséquences

11 11ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Préalable à une correction efficace : mesure de la densité des tissus atténuants par un dispositif dacquisition en transmission ou par TDM N = N 0 exp - (l)dl d 0 N0N0 cartographie des reconstruction tomo N Corrections Modélisation de leffet de latténuation dans le projecteur utilisé lors de la reconstruction itérative Multiplication des sinogrammes par des facteurs de correction C exacts avant reconstruction p = R f N1N1 N2N2 N 1 N 2 = N + exp - (l) dl 0 d N + C = N / N Corrections datténuation

12 12ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Mouvement du patient entre les examens émission et transmission éen SPECT cardiaque, décalage de 3 cm variabilités dintensité mesurées allant jusquà 40% éen SPECT cérébral, décalage de 2 cm asymétries de fixation et des variabilités dintensité allant jusquà 20 % Solutions potentielles érecalage des images émission et transmission éacquisitions émission/transmission simultanées avec traitement des problèmes de contamination tx = 0 cm ty = 0 cm tx = 2,2 cm ty = 0 cm x y Mouvement et correction datténuation

13 13ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Bruit et correction datténuation en SPECT Bruit dans les cartes des épropagation du bruit lors de la correction datténuation Solutions potentielles - filtrage des cartes des énon concordance de résolution spatiale entre données de transmission et démission à lorigine dartefacts aux interfaces - segmentation des cartes des et affectation de valeurs de a priori dans les différentes régions (os, tissus mous, poumons) ésegmentation des différents tissus éhypothèse abusive de valeur de uniforme dans chaque tissu échoix des valeurs de

14 14ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Une solution ? Les systèmes bimodaux avec CT cartographie des coefficients datténuation m dérivée du CT mais… lutilisation de la carte des dérivée du CT nest pas sans poser dautres problèmes

15 15ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Utilisation du CT pour la correction datténuation CT acquis « instantanément » : les images correspondent à une position fixe des organes (notamment les poumons) pendant le cycle respiratoire SPECT acquis sur une longue durée : les images correspondent à la position moyenne des organes pendant le cycle respiratoire Les frontières des organes ne sont pas superposables : artéfacts potentiels aux interfaces entre milieux de densités très différentes (poumons tissus mous par exemple). Problème du flou respiratoire :

16 16ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Correction datténuation en SPECT : synthèse Dispositifs dacquisition en transmission associés aux gamma-caméras Nécessaire reconstruction de la cartographie 3D des coefficients datténuation Connaissant la cartographie des, pas de solution théoriquement exacte, mais nombreuses approches de corrections Utiles é qualitativement : e.g., correction de lartefact de la paroi inférieure en imagerie cardiaque é quantitativement : indispensable à la quantification Pratique de routine - pas de méthode systématiquement mise en œuvre - méthodes les plus utilisées le cas échéant : é correction de Chang itérative avec rétroprojection filtrée é modélisation de latténuation dans OSEM

17 17ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Correction datténuation en PET : synthèse Dispositifs dacquisition en transmission systématiquement associés aux caméras dédiés PET ou PET/CT Solution théoriquement exacte par précorrection des projections au moyen des CCA Correction indispensable à la quantification absolue de lactivité (mesure de SUV, cf. MN4) Pratique de routine - correction via les CCA la plus fréquente - correction fréquemment utilisée en imagerie cardiaque et cérébrale - intérêt de la correction davantage discuté en imagerie oncologique sans correction datténuation avec correction datténuation

18 18ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Les corrections existent, sont implémentées sur les machines TEMP et TEP, et sont efficaces mais … Nakamoto et al, J Nucl Med 2002: CT Ge 6 8 Concentrations dactivité environ 10% supérieure avec la correction utilisant la carte CT En TEP : travaux concernant la carte des : - pour réduire le bruit : segmentation, filtrage - pour mettre à léchelle les valeurs des : segmentation, interpolation - pour travailler à la même résolution spatiale en transmission et émission - pour compenser les flous cinétiques différents en TEP/CT En TEMP : manque de disponibilité des dispositifs dacquisition en transmission pour la mesure de carte des Conclusions sur la correction datténuation

19 19ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Diffusion Compton en SPECT (E) e- (E) E = 1 + E (1 - cos )/m 0 c 2 E * * é photons mal localisés é photons ayant perdu de lénergie non diffusés d1 d2 d3 d4 fenêtre spectrométrique dacquisition Tc-99m (E=140 keV) N énergie (keV)

20 20ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Diffusion en PET Dans le patient (1 ou 2 photons diffusés) Dans le cristal écoïncidences mal localisées édétection possible de coïncidences en dehors de lobjet éphotons ayant perdu de lénergie (E) e-e- e- (E) * * * SPECTPET

21 21ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ TEP ~ 30% des photons détectés dans la fenêtre spectrométrique sont diffusés (Tc99m) PET 2D : ~30% PET 3D : > 50% * surestimation locale de lactivité > 10% (jusquà plus de 30%) réduction des rapports dactivité lésion / fond TEMP La diffusion et ses conséquences

22 22ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Approches spectrométriques empiriques (surtout en TEMP) keV I2I1 I corrigé = I1 - k I2 Soustraction de Jaszczack photons diffusés =/ k image reconstruite sans correction de la diffusion projections des photons diffusés image corrigée de la diffusion Modélisation simplifiée de la distribution des photons diffusés à partir dune image reconstruite sans correction de diffusion et de la cartographie de densité du milieu atténuant projections acquises - projections corrigées de la diffusion La correction de la diffusion

23 23ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ En TEP : méthodes implantées sur les systèmes améliorent la quantification, mais biais résiduels en 3D En TEMP : méthodes simples et relativement efficaces pour la quantification des images Tc 99m, mais amplification du bruit image 20% soustraction pondérée Buvat et al, J Nucl Med 1995: Performances des corrections de diffusion non corrigéecorrigée Modification sensible de laspect des images corrigées

24 24ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Vers des approches de modélisation de la distribution des photons diffusés à partir dune première estimée de la distribution dactivité et de la cartographie du milieu atténuant densité des tissus modèle de la fonction de réponse « diffusé » reconstruction tomographique itérative intégrant un modèle de la diffusion s Très coûteux en temps calcul mais repositionne les photons diffusés, doù meilleur RSB Corrections de diffusion : perspectives

25 25ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ = Intensité maximale mm fonction de réponse du détecteur image observée résolution spatiale 6 mm 12 mm contraste max dimension (mm) Leffet de volume partiel en SPECT et PET Sous-estimation de lactivité dans les structures de petite taille dépendant édu contraste objet / fond éde la dimension de lobjet éde la résolution spatiale du système éaffecte les structures de taille <2-3 FWHM

26 26ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Correction de volume partiel : stratégies dimension (mm) max Inverse du coefficient de recouvrement = +. A fond. A putamen anatomie fonction - coefficients de recouvrement - modélisation anatomo-fonctionnelle Quelques travaux en PET, très peu en SPECT résolution spatiale 12mm contraste infini

27 27ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Correction délicate, nécessitant une information anatomique haute résolution Correction sensible aux erreurs de segmentation et aux différences entre anomalies anatomiques et fonctionnelles Non disponible en routine Le futur : exploitation de linformation CT pour faciliter une mise en œuvre ? valeur idéale ttes corrections sauf volume partiel ttes corrections activité restituée dans les putamen (%) SPECT Performances et conclusions sur la correction de volume partiel

28 28ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ * * leur nombre varie comme le carré de lactivité dans le champ de vue : N = 2 S 1 S 2 2 méthodes de correction efficaces en ligne : - fenêtre temporelle de coïncidence décalée dans le temps - estimation à partir des taux dévénements simples S 1 et S 2 pas de biais majeur lié à la détection de coïncidences fortuites Augmentation du bruit consécutive à leur soustraction augmentation de la variabilité associée aux mesures Les coïncidences fortuites en TEP

29 29ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Estimation via une ligne retard Utilisation de deux circuits de coïncidences détecteur 1 * détecteur 2 temps détecteur 1 * détecteur 2 temps * * * fenêtre de coïncidence classique (12 ns) enregistrant coïncidences vraies + coïncidences fortuites +1 ssi 12ns fenêtre de coïncidence (12 ns) décalée de 64 ns enregistrant uniquement les coïncidences fortuites +1 ssi 64ns 76ns

30 30ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Estimation via les événements non coïncidents Nombre de coïncidences fortuites pour une ligne de coïncidence entre les détecteurs 1 et 2 : N random 1-2 = 2 S 1 S 2 longueur de la fenêtre de coïncidence détecteur 1 : S 1 singles * * détecteur 2 : S 2 singles

31 31ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ SPECT cérébral du système dopaminergique putamenfond idéal sans correction atténuation atténuation+diffusion atténuation+rés. spatiale atténuation+diffusion+rés. spatiale atténuation+diffusion+rés. spatiale+ volume partiel activité restituée (%) Synthèse : importance relative des différents biais

32 32ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Quantification : accessible, en PET et en SPECT Quantification absolue fiable = processus complexe, nécessitant une cartographie de la densité des tissus, un protocole dacquisition et danalyse rigoureusement contrôlé, et idéalement, une cartographie anatomique haute résolution Quantification fiable plus aisée en PET quen SPECT, du fait de la correction datténuation plus accessible et de la meilleure résolution spatiale, mais reste difficile en TEP Détecteurs bimodaux PET/CT et SPECT/CT pourraient jouer un rôle majeur pour faire de la quantification une réalité clinique Problème du volume partiel reste lobstacle majeur à la quantification des structures de petites tailles Conclusions sur la quantification

33 33ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Au delà de la mesure de « fixation » : la modélisation Exploiter les mesures de concentration de radiotraceur pour estimer des paramètres physiologiques caractérisant les processus étudiés N X kBq/ml

34 34ESIEA – quantification en SPECT/TEPCEA/SHFJ Estimation de paramètres physiologiques séquence dimages dynamique cinétique associée à une région connaissances biochimiques modèle paramètres physiologiques relatifs à la région, e.g., constante déchange, flux sanguin, densité de récepteurs ajustement des mesures au modèle prélèvement sanguin fonction dentrée


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