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1ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Imagerie fonctionnelle nucléaire Philippe Ciuciu (CEA/SHFJ)

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1 1ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Imagerie fonctionnelle nucléaire Philippe Ciuciu (CEA/SHFJ)

2 2ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Principe général de limagerie fonctionnelle nucléaire Etude du devenir de la molécule marquée marqueur Traceur caractéristique dune fonction métabolique ou physiologique 1. Marquage 2. 3.

3 3ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Principe de limagerie nucléaire :exemple Matière première indispensable à la fabrication des hormones thyroïdiennes: Iode 1. Etude du devenir de la molécule Isotope : I-123

4 4ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Les pierres dangle Détecteur Traitement de linformation Radiotraceur

5 5ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Radiotraceurs : contraintes chimiques Administration intraveineuse : stabilité dans le sang Délivrance au tissu cible (passage du plasma dans le tissu) Absence de modification du phénomène physiologique à observer (concentration nanomolaire du radiotraceur) « Fixation » stable à la cible et élimination du traceur nayant pas rencontré de cible (traceur spécifique) Liaison forte entre traceur et marqueur Exemples de traceurs : molécules, cellules, ligands, hormones, … substance traceuse couplage chimique isotope radioactif

6 6ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Types de radiotraceurs Substance endogène marquée - e.g., eau marquée Analogue dune substance endogène e.g., analogue du glucose Molécule présentant une affinité pour un récepteur e.g., système de neurotransmission -Exemples de traceurs : molécules, cellules, ligands, hormones, anticorps, neurotransmetteurs, peptide

7 7ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Rayonnement alpha Rayonnement beta- : (électrons) Rayonnement gamma Le rayonnement émis par lisotope doit être détectable Lémission de particules dintérêt ne doit pas être accompagnée démissions de radiations nocives Radiotraceurs :contraintes physiques (1) couplage chimique marqueur = isotope radioactif

8 8ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ - particules alpha : très ionisantes, peu pénétrantes : parcours trop faible dans les tissus é non adaptés à une détection externe - électrons : ionisants, libre parcours moyen très faible dans les tissus é utilisés uniquement en radiothérapie pour détruire des cellules - photons gamma, résultant de : désexcitation dun noyau instable annihilation de positons é pénétrants donc adaptés à une détection externe - Radiotraceurs :contraintes physiques (2) couplage chimique marqueur = isotope radioactif

9 9ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ - Emetteurs de photons gamma - Emetteurs de positons Producteurs de photons gamma ( ) X* X + A Z A Z X* Y + + A Z-1 A Z

10 10ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Emission dun photon lors du retour dun noyau de létat excité à létat stable X* X + - rayonnement pas directement ionisant - spectre de raies : photons émis à des énergies bien déterminées éradioisotope caractérisé par ses énergie démission Emetteurs de photons A Z A Z 99m Tc 142,7 keV 140,5 keV 0 keV Tc 1 2 3

11 11ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Emission dun positon par transformation dun proton en un neutron et un positon, avec émission dun neutrino X* Y spectre démission continu : énergie cinétique du positon comprise entre 0 et E max Annihilation du positon avec un électron du milieu É 2 photons émis de 511 keV à ~ 180°±0.2° Emetteurs de positons A Z A Z-1 + -

12 12ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Energie du rayonnement émis - suffisamment élevée pour que les photons séchappent de lorganisme - pas trop élevée pour que les photons puissent être détectés é entre 70 et 511 keV Radiotraceur : contraintes physiques (3) X UV IR ondes radio 10 1 visible

13 13ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Période physique T du radio-isotope - durée à lissue de laquelle la quantité disotope est divisée par 2: N = N 0 exp(- t) et T = ln2/ -suffisamment grande pour avoir le temps de suivre le processus dintérêt - suffisamment courte pour éviter les irradiations inutiles é entre 2 minutes et plusieurs heures Radiotraceur : contraintes physiques (3)

14 14ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Isotope émetteur de photons privilégié : le Tc-99m Technétium 99m (1960) : énergie = 140 keV T = 6 h précurseur : molybdène 99 (Mo99) Tc-99m TcO 4 - fission de lU 235 molybdène 99 : Mo99 (T=67h) colonne dalumine de 99 MoO 4 2- séparation des ions TcO 4 - et 99 MoO 4 2-

15 15ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Isotope émetteur de positons privilégié : le F18 Fluor 18 : T = 110 min HO OH O F18 FDG F18 Bombardement de noyaux stables par des protons ou des deutérons

16 16ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Isotopes utilisés en imagerie nucléaire IsotopeEnergiePériode Emetteurs de photons Technétium 99m140keV6 heures Iode keV13 heures Thallium 201 Indium keV keV73 heures 67 heures Emetteurs de positons + Oxygène 15511keV2 minutes Azote 13511keV10 minutes Carbone 11511keV20 minutes Fluor 18511keV110 minutes Brome 76511keV978 minutes

17 17ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Avantages/inconvénients des radiotraceurs Grande sensibilité : concentration nanomolaire ou picomolaire Isotopes déléments naturellement présents dans lorganisme (C, O, H), doù possibilité de marquage sans altérer les propriétés biochimiques de molécules Radiations ionisantes Aucun contrôle de lactivité du radiotraceur non fixé à sa cible : bruit de fond

18 18ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Types démetteurs et techniques dimagerie nucléaire scintigraphie planaire tomographie démission monophotonique : SPECT ou TEMP tomographie par émission de positons : PET ou TEP Emetteurs de Emetteurs de positons

19 19ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Les détecteurs Détecteur Traitement de linformation Radiotraceur

20 20ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ 1948 : Comptage des rayonnements gamma point par point Compteur Geiger-MüllerI-131 Mesure de lactivité en chaque point : « image » de lémission de photons

21 21ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ 1951 : Scintigraphe à balayage collimateur spectromètre cristal imprimante PM asservissement mécanique é scintigraphie

22 22ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ 1958 : Gamma caméra cristal collimateur PM guide de lumière électronique dacquisition *

23 23ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Principe de la gamma caméra cristal NaI(Tl) : 8-12 mm collimateur PM guide de lumière électronique dacquisition * * * NaI(Tl) : ~ 430 nm ~ 3 eV = lumière bleue-verte densité : 3,7 g/cm3 constante de décroissance : 230 ns => 2000 cps / PM rendement lumineux : 13%

24 24ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Tubes photomultiplicateurs * photocathode anode -+ V c < V 1 < V a dynodes signal électrique photons lumineux émis par le cristal e-

25 25ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Circuit de positionnement cristal guide de lumière tubes PM ** x 12 e 112 * x 0 e xx

26 26ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Caractéristiques des gamma caméras Résolution spatiale Résolution en énergie Linéarité géométrique Uniformité de la réponse Taux de comptage Dépendent de : collimateur é nombre de tubes photomultiplicateurs é performances des tubes photomultiplicateurs énature et épaisseur du cristal éélectronique de traitement du signal

27 27ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Résolution spatiale Plus petite distance entre 2 sources ponctuelles séparées Mesurée par la largeur à mi-hauteur (LMH) de la réponse à une source ponctuelle R = R i 2 + R colli 2 éR i ~ 3 mm, R colli ~ 7 à 13 mm à 10 cm élimitée par la résolution du collimateur Dautant meilleure que : éle nombre de photoélectrons issus des tubes PM est grand éle cristal est mince éles phénomènes dempilement sont réduits éles canaux du collimateur sont de faible diamètre éles tubes PM présentent des réponses homogènes source ponctuelle LMH image résolution spatiale x x

28 28ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Phénomène dempilement Détection de 2 événements à un intervalle de temps inférieur à la largeur de base des impulsions de lamplificateur temps

29 29ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Résolution en énergie Capacité de sélectionner précisément les photons en fonction de leur énergie Mesurée par le rapport de la LMH de la réponse en énergie à la valeur moyenne de cette réponse = LMH/E (en %) Dautant meilleure que : éle nombre de photoélectrons issus des tubes PM est grand (réduction des fluctuations statistiques) élénergie du radioisotope est élevée éles phénomènes dempilement sont réduits éles tubes PM présentent des réponses homogènes LMH E source mono énergétique spectre des photons détectés E énergie

30 30ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Linéarité géométrique Capacité de la caméra à déterminer précisément les coordonnées de linteraction du photon dans le cristal Mesurée par lécart maximum entre limage dune source linéaire et la position réelle de la source linéaire, divisé par sa longueur (en %) Dautant meilleure que : éle nombre de tubes photomultiplicateurs est élevé éla réponse des photocathodes des tubes PM est homogène éla correction de linéarité est efficace source linéaire Dx/L image résultante L

31 31ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Uniformité de la réponse de la caméra Aptitude de la caméra à fournir une image homogène lorsquelle est soumise à un flux homogène de photons Uniformité intégrale (UI) mesurée par la variation maximale du nombre de coups par pixel dans toute limage (en pourcent) obtenue à partir dun flux homogène de photons Uniformité différentielle (UD) mesurée par la variation maximum du nombre de coups par pixel dans des petites régions (en pourcent) sur limage obtenue à partir dun flux homogène de photons Dautant meilleure que : éles écarts de gains entre les TPM sont faibles éla réponse des photocathodes des TPM est homogène éla correction dhomogénéité en temps réel est efficace max UI = 100(max-min)/(max+min) min UD =max [100(max i -min i )/(max i +min i ) ] i

32 32ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Taux de comptage Capacité de détecter un grand nombre de photons par sec. en conservant la proportionnalité entre nombre de photons émis/détectés Mesurée par le taux de comptage maximum ou le taux de comptage avec X% de pertes par rapport au taux de comptage attendu Dautant meilleur que : éque le temps mort est faible : temps pendant lequel la caméra est en train de traiter un événement et est indisponible pour en traiter un second éque le phénomène dempilement est faible éque le cristal a une constante de décroissance rapide

33 33ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Evolution des performances des détecteurs TEMP : synthèse - cristaux plus fins, photomultiplicateurs plus nombreux numérisation du signal en sortie des PM - cristaux de 9,6 mm, 107 PM - résolution spatiale intrinsèque (sans collimateur) : 3 à 4,5 mm - résolution spatiale extrinsèque : > 6 mm Résolution spatiale Résolution en énergie : 8 à 11% Taux de comptage : cps avec 20% de perte

34 34ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Évolution des performances des caméras Premières gamma caméras - résolution spatiale intrinsèque ~13 mm - résolution en énergie ~20% à 140 keV - linéarité géométrique > 1 mm - uniformité ~ 20% - Taux de comptage max ~50000 coups/s -Taux de comptage avec 20% de perte < coups/s Gamma caméras actuelles - résolution spatiale intrinsèque < 4 mm - résolution énergie ~ 10% à 140 keV - linéarité géométrique ~ 0,1 mm - uniformité ~ 3% - taux de comptage max ~ coups/s - taux de comptage avec 20% de perte ~ coups/s

35 35ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Images planaires * * *

36 36ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Evénements détectés en SPECT photons diffusés * * direction apparente du photon détecté ébien localisés sur la ligne de projection éinformation utile élocalisation erronée édiminution du contraste des images ébiais quantitatif photons primaires

37 37ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Importance des événements parasites en SPECT Proportion de photons diffusés dans la fenêtre dacquisition ~30% pour le Tc99m >50% pour le Tl201 é dépend de la morphologie du patient é dépend du radioisotope Correction nécessaires … énergie démission énergie nb dévénements détectés

38 38ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Scintigraphie osseuse au Tc-99m normalemétastases osseuses

39 39ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Imagerie cardiaque dynamique : scintigraphie cavitaire Tc-99m P R T 1 16 N t edes Fraction déjection 100 x N ed - N es N ed Fin de diastoleFin de systole

40 40ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Irradiations liées aux examens mSv 7070 os myoc. poum. scanner techn. naturelle organ. Paris / NY scintigraphie radio / coupe / an / an / an

41 41ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Imagerie 3D des émetteurs de photons Recueil dimages sous différentes incidences projections reconstruction tomographique

42 42ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Différents types de détecteurs en SPECT

43 43ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Notion de sinogramme en SPECT x x Ensemble des lignes de projection correspondant à une coupe

44 44ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Notion de sinogramme en SPECT détecteur en position coupe y i sinogramme correspondant à la coupe y i une projection coupe y i x y x y x 1 acquisition : P projections X x Y ou Y sinogrammes X x P

45 45ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Sinogrammes et projections Sinogrammes et projections contiennent les mêmes informations : ils ne diffèrent que par lorganisation sinogramme correspondant à la coupe z i Sinogramme : information relative à une coupe pour tous les angles de projection. Projection : information relative à toutes les coupes, mais pour une incidence angulaire unique. projection correspondant à langle z

46 46ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Compris ? On dispose de 64 projections de dimension 128 pixels (dans la direction axiale ) x 256 pixels Combien de coupes transaxiales peut-on reconstruire sans interpolation ? Combien de sinogrammes peut-on former à partir de ces projections ? Quelles sont les dimensions dun sinogramme ? lignes et 256 colonnes

47 47ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Détecteur pour la tomographie démission de positons (TEP) circuit de coïncidence ligne de réponse cristaux BGO, LSO ou GSO 511 keV Collimation électronique : beaucoup plus grande sensibilité : ~0,4% Cristal plus dense ; Imagerie à 511 keV seulement

48 48ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Evénements détectés en PET * Coïncidences vraies coïncidences fortuites * * ébien localisées sur la ligne de projection éinformation utile Coïncidences diffusées * émauvaise localisation édiminution du contraste ébiais quantitatif émauvaise localisation éréduction des capacités de comptage ébiais quantitatif

49 49ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Vocabulaire PET Singles : événement détecté à lintérieur de la fenêtre en énergie, qqsoit son instant darrivée par rapport à une fenêtre de coïncidence Prompt : événement détecté à lintérieur de la fenêtre en énergie et dans la fenêtre de coïncidence Multiples : 2 prompts dans une fenêtre temporelle Delayed : événements enregistrés dans une fenêtre temporelle décalée (pour correction de coïncidences fortuites) Random (fortuit) : événement non coïncident détecté dans la fenêtre de coïncidence Scattered (diffusé) : prompts issus dune diffusion Compton Trues : prompts - (scattered + multiples) * single (qq soit t) prompt (si arrivé dans fenêtre de coïncidence)

50 50ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Passage des lignes de réponse aux projections reconstruction tomographique tri des données en projections projection

51 51ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ PET bidimensionnel (2D) septa inter-plans Vue axiale * * Vue transaxiale couronnes de détecteurs * * lignes de mesure

52 52ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ PET tridimensionnel (3D) * * Vue transaxiale pas de septa inter-plans Vue axiale couronnes de détecteurs * * lignes de mesure

53 53ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Les détecteurs TEP / CT CT TEP 110 cm 60 cm 100 cm Proof of concept : 1998 (Université de Pittsburgh) Townsend et al. J. Nucl. Med :4S-14S.

54 54ESIEA – Imagerie nucléaireCEA/SHFJ Le traitement de linformation Détecteur Traitement de linformation Radiotraceur


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