Bases physiques de la tomographie d’émission de positons (TEP) Pr JN. TALBOT Service de Médecine Nucléaire et Centre TEP AP-HP Hôpital Tenon Paris

PLAN DE L’EXPOSE Définitions, bases physiques et biologiques TEP au [F18]-FDG en pathologie thoracique tumorale - Nodule pulmonaire isolé - Stadification des CBNPC - Impact sur la prise en charge - Valeur pronostique - Evaluation de la réponse thérapeutique Autres cancers broncho-pulmonaires et de la plèvre Perspectives Conclusion

Emission de positons Positon : particule bêta positive = + Emetteur de positons : Isotope artificiel , produit dans un cyclotron, en bombardant une cible déterminée par un faisceau de protons Principaux émetteurs + demi-vies & parcours moyen dans l’eau Fluor-18 18 F 110 min. 1,0 mm Carbone-11 11 C 20 min. 1,1 mm Azote-13 13 N 10 min. 1,4 mm Oxygène-15 15 O 2 min. 1,5 mm L ’émission de positons La détection Le 18F- FDG

Synthèse de l’émetteur de positons L ’émission de positons La détection Le 18F- FDG Cyclotron

Emission de positons Annihilation  L ’émission de positons La détection Le 18F- FDG Annihilation 511 keV  e- 

TOMOGRAPHIE PAR EMISSION DE POSITONS Détection en coïncidence Le 18F- FDG L ’émission de positons La détection *e+ e+ ** e- Détecteur 2 Détecteur 1 Circuit de coïncidence Lignes de réponse (LdR)

L ’émission de positons La détection Le 18F- FDG Gamma caméra à cristaux épais et détection de coïncidence

L ’émission de positons La détection Le 18F- FDG Gamma caméra à cristaux épais et détection de coïncidence

L ’émission de positons La détection Le 18F- FDG Caméra TEP dédiée

TEP-TDM Camera TEP / TDM Biograph de Siemens® adaptée pour la radiothérapie conformationnelle

Example: Identify active lymph node using PET – biopsy using CT. Integrated Operation (CT/PET Imaging) Separated Operation (Independent CT imaging) 1 m separation for patient access CT PET CT PET Gemini,PMS

Détection de coïncidence 511 keV 511 keV LDR LDR Les 2 gamma sont completement absorbes (evenement de type Pic-Pic) LDR = ligne de réponse 511 keV 511 keV Fenêtre temporelle: 6-12ns Coïncidence vraie: les 2  sont totalement absorbés (P-P) LDR (ligne de réponse) passe par l'objet Coïncidence fortuite: 2  sont détectés, mais issus d'objets  LDR ne passe pas par l'objet

Coïncidences diffusées 300 keV 300 keV LDR 400 keV LDR LDR 300 keV 511 keV 511 keV Diff. dans le patient: Pic-Compton LDR incorrecte Diff. dans le cristal: Pic-Compton LDR correcte Double diffusion: Compton-Compton LDR incorrecte

Mode 3D ou mode 2D Cristal Septa TEP = technique 3D par excellence sensibilité (nombreux évènements) faibles doses acquisitions courtes Mais, temps de reconstruction élevés, diffusé, fortuits Les septa réduisent: les coïncidences fortuites ( angle solide effectif) le rayonnement diffusé Mais, temps d’acquisition plus long, moins efficace

Correction d'atténuation Principe: Le flux des photons est atténué de façon différente selon la densité des structures traversées avant d’atteindre le détecteur Pour corriger, il faut acquérir une cartographie des coefficients d’atténuation à l’aide d’une source  (68Ge, 137Cs,…) ou X (TDM) externe µ tissu µ air = e-µD N N0 On corrige ensuite sur ordinateur l’image d’émission grâce à celle de transmission

Correction d'atténuation Meilleure visualisation des structures profondes Émission Transmission Image corrigée

Correction d'atténuation Meilleure visualisation des structures profondes Aide à la localisation anatomique des foyers Émission Transmission Image corrigée

Effet de volume partiel J0 = pas de nodule J30 = nodule 7 mm J60 = nodule 13 mm Bilan d’extension d’un adénocarcinome colorectal

TEP couplée au scanner Meilleure cartographie des coeff. d’atténuation (conversion d’unités Hounsfield en coeff. µ à 511 keV) Temps plus court des images de transmission Meilleure localisation anatomique des foyers Lardinois et al. New Engl J Med 2003;348:2500-7 Schöder et al. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2003;30:1419-37

PET/CT scan protocol Spiral CT Corrections: scatter attenuation (1-8 min total) Fused PET/CT CT PET CT PET Whole-body PET (6-40 min total) Reconstruction: FORE + OSEM CT PET University of Pittsburgh Medical Center Courtesy of David Townsend

Head and neck cancer PET/CT scanner CT: 160 mAs; 130 KVp; pitch 1.6; 5 mm slices PET: 7 mCi FDG; 2 x 15 min; 3.4 mm slices Transverse Sagittal University of Pittsburgh Medical Center Courtesy of David Townsend

Le [18F]-FDG, sucre analogue du glucose L ’émission de positons La détection Le 18F- FDG [18-F]-FLUORO-2-DESOXYGLUCOSE

Le [18F]-FDG, sucre analogue du glucose L ’émission de positons La détection Le 18F- FDG 18F-FDG 18F-FDG hexokinase 18F-FDG-6-phosphate glucose-6-phosphate isomérase Note : Working with radionuclides requires knowledge of the potential hazards of radiation. The doses to workers potentially at risks (persons preparing the radiopharmaceuticals, injecting the patients and performing the imaging procedures) are more important when handling of positron emitters than conventional diagnostic doses. Moreover, as established by the Council Directive 96/29 EURATOM, the doses from all these practices should not exceed new dose limits : the effective dose for exposed workers is decreased to 100 mSv in a consecutive five-year period with a tolerable maximum effective dose of 50 mSv in any single year. Any exposure must be justified and optimised: The principle of optimisation is based on the ALARA principle for reduction of the radiattion dose to levels as low as reasonably achievable is of special importance for emerging techniques such as PET. Cancer forte consommation de glucose 18F-FDG-6-phosphate Warburg O. The metabolism of tumours. London, 1930

Biodistribution normale du [F18]-FDG Caméra TEP dédiée

Examen normal, visualisation tridimensionnelle TEP au [18F]-FDG Examen normal, visualisation tridimensionnelle

Précautions d’examen Grossesse, allaitement (rayonnement ionisants) Radiothérapie < 4 mois, chirurgie/chimio < 1 mois Jeûne depuis 6h Diabète (équilibré ++, glycémie prélevée avant inj. < 10 mmol/L) Hydratation ++ (pas sous forme de sérum glucosé!) Délai entre injection et images > 45 min, repos strict Eventuellement myorelaxants Réactivation thymique sous chimiothérapie Sonde gastrique à demeure Contraction musculaire (Trapèzes)

Biodistribution pathologique du [F18]-FDG Caméra TEP dédiée [F-18] - F Na [F-18] - FDG

QUELQUES EXEMPLE DE TOMOGRAPHIE PAR EMISSION DE POSITONS AU [18F]-FDG EN PATHOLOGIE TUMORALE THORACIQUE BRONCHO-PULMONAIRE

Homme de 50 ans, bilan d’une paralysie de la corde vocale gauche Découverte d’un carcinome à grandes cellules de 8 mm du culmen sans adénopathie médiastinale et d’une hypertrophie de la surrénale gauche Décision thérapeutique avant TEP-FDG : traitement chirurgical TEP-FDG : N3M1, adénopathies médiastinales bilatérales, métastase surrénalienne Médiastinoscopie : aspect normal, biopsies systématiques : métastases ganglionnaires médiastinales droites  chimiothérapie TEP-TDM Dr Mabille TEP Paris Nord

Vue 3D Transverse Sagittale Frontale Patiente de 54 ans, tabagique Nodule isolé du poumon droit, suspect [F18]-FDG TEP sur caméra TEP dédiée Pas de captation de FDG par le nodule Histologie : granulome inflammatoire Pas de cellule maligne

Nodule solitaire du poumon chez un patient de 55 ans, tabagique TDM : nodule de 23 mm de grand axe avec deux adénopathies satellites [F18]-FDG TEP sur caméra TEP dédiée Captation très intense de FDG par le nodule et des 2 ganglions satellites Classé T2N1 par la TEP Histologie : carcinome épidermoïde Stade histologique : T2N1

Vue 3D Transverse Sagittale Frontale Patient de 50 ans, non tabagique Nodule solitaire du poumon chez un TDM : nodule bénin, probable hamartochondrome. [F18]-FDG TEP en caméra TEP Distribution physiologique. Pas de captation de FDG par le nodule = bénin Histologie : Hamartochondrome

[F18]-FDG TEP = absence de captation FAUX NEGATIF : adénocarcinome avec composante bronchioloalvéolaire

Extension ganglionnaire : N

Extension ganglionnaire : N

Extension ganglionnaire : N Volumineux foyer intense TDM : N0  N2 Petit foyer d’intensité modérée TDM : N1  N2 Petits foyers d’intensité modérée TDM : N0  N0 Volumineux foyer d’intensité modérée TDM : N2  N2

Extension métastatique : M Extension métastatique pulmonaire - Même difficultés diagnostiques que pour la caractérisation tumorale TEP sans CA CBP Carcinome épidermoïde du LID, Métastase pulmonaire controlatérale prouvée histologiquement

Extension métastatique : M Extension pleurale (Gupta, Chest 2002) 35 pts avec CBP et une suspicion d’extension pleurale (épanchement pleural ou épaississement pleural) Gold standard : histologie, suivi sans traitement pour 3 pts TEP-FDG : Se = 89% Sp = 94% Ex = 91% Cancer pulmonaire non à petites cellules TEP-FDG : envahissement pleural confirmé en per-opératoire

Extension métastatique : M TDM TEP-FDG Homme de 55 ans, Carcinome à grande cellules LSG Métastase surrénalienne prouvée histologiquement

Homme, 47 ans, carcinome à grandes cellules LSD Emission Fusion émission/transmission Homme, 47 ans, carcinome à grandes cellules LSD TDM: adénopathies médiastinales, surrénale gauche suspecte FDG-TEP: extension métastatique ganglionnaire médiastinale bilatérale, jugulocarotidienne gauche et surrénalienne gauche

Extension métastatique : M Extension hépatique - TEP-FDG : pas de fixation des HNF et des angiomes (Marom, Radiology 1999) 100 pts avec un CBP, 6 avec des métastases hépatiques TEP-FDG : Exactitude = 100% (Kinkel et al, Radiology 2002) Méta analyse dans les cancers colorectaux, gastriques et oesophagiens de la détection des métastases hépatiques par la TEP-FDG, US, TDM et IRM Pour une Spécificté ≥ 85% : Se = 55% US vs 42% TDM vs 76% IRM vs 90% TEP

Extension métastatique : M Scintigraphie du squelette Diphosphonates-99mTechnétium TEP au [F-18]-FDG

Bilan d’extension d’un CPC Bilan d’extension d’un CPC. TEP-FDG : fixation au niveau de l’extension médiastinale et de l’atteinte ganglionnaire cervicale connues, découverte d’une atteinte sternale confirmée histologiquement

Récidive d’un carcinome à petites cellules du poumon TDM : masse résiduelle stable depuis 12 mois et petit nodule infra centimétrique d’apparition récente tous deux FDG + Récidive au niveau de la masse gauche confirmée à l’histologie

Même patient. Le nodule de l’apex droit est mieux visualisé sur les images non corrigées de l’atténuation