Maryse Hoebeke Professeur Ulg "Bases physiques de la scintigraphie et de la tomographie à émission de positions" Maryse Hoebeke Professeur Ulg Printemps des sciences 2015

Ouvrage de référence : Bases physiques de l’imagerie médicale Alain Seret et Maryse Hoebeke, (Presses universitaires de Liège)

Gamma-caméra à double-tête CHU Avicenne

Une onde électromagnétique Propagation d’un champ électrique et d’un champ magnétique oscillant qui s’engendre mutuellement sont perpendiculaire entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation de l’onde Ces ondes se propagent dans le vide, c = 300000 km/s

Paramètres caractérisant les ondes périodiques Longueur d’onde l : distance entre deux crêtes successives Période T : temps nécessaire pour que l’onde ait parcouru une distance égale à sa longueur d’onde Fréquence f : nombre de crêtes passant en un point de l’espace par seconde l= v T = v/f

La propagation des radiations électromagnétiques dans les milieux obéit aux phénomènes ondulatoires réflexion réfraction interférence diffraction tant qu ’il n ’y a pas d ’échange d ’énergie avec la matière

Les échanges d ’énergie avec la matière absorption émission de photons par la matière

99% de la masse totale de l ’atome Noyau 99% de la masse totale de l ’atome rayon atomique de l ’ordre de 0.1 nm rayon nucléaire 10 fm

X Le noyau atomique Nombre de protons + neutrons A Symbole chimique élément Z Nombre protons

Même élément chimique X : ( même nombre d’électrons et de protons) Mais nombre de neutrons différents les isotopes de l ’élément X

Transformation spontanée de noyaux atomiques Radioactivité Transformation spontanée de noyaux atomiques instables d’un élément en noyau d’un autre élément Cette transformation peut être provoquée

La radioactivité Processus nucléaire - naturelle - artificielle 3 types de radiation a , b , g

Responsable de la cohésion du noyau La force nucléaire Responsable de la cohésion du noyau Beaucoup plus forte que les forces de répulsion électrique Force de faible portée

Intensité de la force pour 2 protons distants de 2 10-15 m Force grav. ( portée illimitée): intensité 10-34 N Force électromagn. (portée illimitée) : intensité 102N Force nucléaire (portée qlq 10-15 m): intensité 104 N répulsive si d < 0.5 10-15 m 8 MeV pour séparer un nucléon du noyau 13.6 eV pour séparer l ’électron du proton dans l ’atome de l ’hydrogène

La radioactivité Naturelle : décomposition spontanée concerne les éléments les plus lourds tableau périodique (Z >82) 3 types de radiation Energie des rayons a et b plusieurs keV voire MeV a : noyau d ’hélium (2 protons, 2 neutrons) b : électrons g : ondes électromagnétiques (l < 10-9 m, f> 1018 Hz) photons d ’ énergie : quelques dizaine de keV au MeV

création de nouveaux isotopes instables (laboratoire) Artificielle création de nouveaux isotopes instables (laboratoire) Leur radioactivité est dite artificielle a, b, g mais émission dans certain cas de positons (e+), même masse que l ’électron mais charge +e On va distinguer b+ (positons) et b- (électrons) Tomographie par émission de positons TEP

Phénomène statistique Il y a une certaine probabilité de désintégration pour chaque noyau d’un élément radioactif dans un laps de temps donné. Cependant Pour une certaine quantité de noyaux, il s’en désintègre en l’unité de temps une partie toujours bien déterminée

1.1 Loi de la désintégration radioactive

Nombre de désintégrations par unité de temps La loi N = N0 e -lt Nombre de désintégrations par unité de temps Activité = lN0e-lt

Idem électron dans structure atomique Les nucléons se trouvent sur niveaux discrets d ’énergie dans la structure nucléaire Les nucléons sont des particules de spin 1/2 respectent le Principe d ’exclusion de Pauli

Deux nucléons de même espèce et dans le même état quantique ne peuvent occuper le même niveau d ’énergie protons neutrons état d ’énergie

1.2 Etats énergétiques de 3 noyaux.

1.8 Principe de la scintigraphie

Traceurs : substances susceptibles de se localiser au sein de l ’oragne à étudier Marqueurs : isotopes radioactifs, émetteurs g

Marqueurs qui sont aussi des traceurs 99mTc 201TI 131I 123I 81mKr Marqueurs qui sont aussi des traceurs 123I, 81mKr

123I : problèmes de thyroïde 81mKr inhalé : diagnostic embolie pulmonaire

En scintigraphie Les isotopes radioactifs = marqueurs Deux catégories - Les émetteurs g purs : les plus intéressants (énergie des photons entre 40 et 500 keV, la plupart de ces émetteurs sont obtenus par capture électronique) - Les émetteurs b-g : b- sans intérêt pour scintigraphie En TEP Les émetteurs b+

Capture électronique La capture électronique est un mécanisme par lequel un proton du noyau entre en interaction avec un électron des couches profonde de l’atome p+e-n +n

Les émetteurs métastables 99mTc = 99*Tc = technécium à l ’état excité

Originalité de la scintigraphie Elle permet de suivre l ’évolution de la répartition du traceur en fonction du temps et ainsi de différentier les structures sur le plan fonctionnel. Repérer ainsi des structures pathologiques

Scintigraphie à balayage Utilise un détecteur mobile qui parcourt ligne par ligne la zone à explorer et permet la construction d’une image qui reflète la localisation de l ’activité radioactive de la zone explorée

1.3 Principe de la Gamma caméra

g-caméra tomographique le détecteur tourne autour du lit du patient images prises suivant de multiples positions des détecteurs reconstruction de l’image finale à trois dimensions (algorithmes mathématiques) Tomoscintigraphie appelée en anglais SPECT en français TEMP tomogaphie numérisée par émission monophotonique

Tomographie à émission de positons (TEP) Positon Emission Tomography (PET) Obtention d’images en coupe qui peuvent être traitées Obtention d’une représentation tridimensionnelle

1.9 Annihilation électron-positon

Schéma de principe d’un tomographe à émission de positons

Droite parcourue par les deux photons Mémorisée L.O.R. Droite parcourue par les deux photons Mémorisée Attribution d ’un poids égal au nombre de fois que 2 photons sont détectés en opposition Recherche des points d’intersection des L.O.R. en tenant compte de leur poids Reconstruction

Les points d ’intersection sont les points d ’annihilation des positons Ils sont éloignés du point d ’émission du positons dégradation de la résolution