La correction d’atténuation des images de Tomographie par Émission de Positons (TEP) utilisant les images de Tomodensitométrie (TDM) Guillaume BONNIAUD Service de Physique - Institut Gustave ROUSSY

NP = Nsource.exp[-  µ(L).dL] ? 1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) : qu’est-ce que ? 2- Un biais de détection en TEP : l’atténuation NP = Nsource.exp[-  µ(L).dL] 3- La Correction d’Atténuation (CA) en TEP à partir des images de Tomodensitométrie (TDM) 4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique

Injection d’un radiotraceur émetteur de positons 1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) La TEP est une modalité d’imagerie fonctionnelle Imagerie fonctionnelle : imagerie permettant l’analyse de la fonction des organes par la détection d’une molécule marquée (traceur radioactif), caractéristique de la fonction à étudier, administrée à l’organisme. Injection d’un radiotraceur émetteur de positons La TEP en cancérologie: Fonction : activité tumorale et métastatique => La cellule cancéreuse consomme plus de glucose que les autres cellules A l’oral: Faire distinction Imagerie fonctionnelle et morphologique Molécule marquée : analogue du glucose marqué par un émetteur de positons, le 18F-Fluoro-déoxyglucose (18FDG) Détection : caméra dédiée à la détection des positons

Injection d’un radiotraceur émetteur + 1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) Principe de la détection en TEP (1) L’émission de positons (+) 1. Émission du positon Injection d’un radiotraceur émetteur + 2. Thermalisation (interaction positon - matière) sur quelques mm 3. Annihilation (interaction positon thermalisé – électrons des couches supérieures de la matière) Fixation de + Photon de 511keV 4. Émission de 2 photons de 511keV en opposition (180  0,3°) Ce sont les photons d’annihilation qui vont être détectés

Injection d’un radiotraceur émetteur + 1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) Principe de la détection en TEP (2) La détection des photons d’annihilation Injection d’un radiotraceur émetteur + Ligne de coïncidence = Fenêtre temporelle (quelques ns) + fenêtre spectrale (350 à 650 keV) Anneau de détection Ligne de coïncidence Ligne de Réponse (LOR) Chaque LOR contient le nombre de positons émis sur cette ligne Émission en opposition des 2 photons d’annihilation Détection en coïncidence de lignes de réponse (LOR)

Principe de la détection en TEP (3) 1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) Principe de la détection en TEP (3) Représentation graphique de la détection en coïncidence : le sinogramme Anneau de détection Ligne de coïncidence Ligne de coïncidence Sinogramme r   R  Ligne de Réponse (LOR) 1 pixel = N (nombre de coïncidences) Sinogramme : 1 point représente une LOR

Reconstruction des images TEP 1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) Reconstruction des images TEP Anneau de détection Acquisition de Lignes de Réponse (LOR) : LOR1, LOR2, LOR3, … LOR2 (chaque LOR contient le nombre de positons émis sur cette ligne) Les algorithmes de reconstruction d’images restituent, à partir de l’ensemble des LOR acquises, la distribution 3D des émissions de positons dans le champ de vue de la caméra TEP LOR4 LOR1 LOR3 Deux types d’algorithmes de reconstruction d’images : reconstructions analytiques / itératives Visualisation de la reconstruction sous forme d’images transverses, sagittales et coronales

Limitations de la technique de détection en TEP 1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) Limitations de la technique de détection en TEP Détection de coïncidences : Diffusées L’émission de positon n’est pas sur la LOR détectée = bruit Fortuites Coïncidences « vraies » (signal) ~ 1% des coïncidences détectées en 3D Anneau de détection Résolution spatiale finie des détecteurs Atténuation des photons d’annihilation dans le patient

L’atténuation en TEP (1) : Atténuation des photons d’annihilation (511 keV) Anneau de détection Ligne de coïncidence Ligne de Réponse (LOR) L’atténuation en TEP : - Ne dépend pas du lieu d’émission sur la LOR à l’intérieur de l’objet ; - Dépend uniquement de la densité du milieu atténuant sur la LOR.

Nthéorique =  n(L).dL avec L = LOR 2- L’atténuation en TEP L’atténuation en TEP (2) : Influence sur la détection Ligne de coïncidence 1 pixel = N (nombre de coïncidences) R  r Sinogramme Nthéorique =  n(L).dL avec L = LOR Nmesuré =  n(L)affecté par l’atténuation.dL avec L = LOR

Conséquences (1) : 2- L’atténuation en TEP Perte de signal => évènements non détectés Objet homogène Image Nombre d’émission de postions Profil transverse Nombre d’émission de postions Profil transverse

Conséquences (2) : 2- L’atténuation en TEP Quantification erronée => erreur dans la restitution du nombre d’émissions de positons de l’objet dans l’image Atténuation inégale suivant la profondeur => détection des lésions profondes difficile Image TEP transverse non corrigée de l’atténuation Comment va-t-on corriger les images TEP de l’atténuation des photons d’annihilation ?

N =  n(L).FCA.dL avec FCA = Exp (µ(L).dL) 3- La Correction d’Atténuation (CA) en TEP Comment corriger de l’atténuation ? Solution théorique exacte N =  n(L).FCA.dL avec FCA = Exp (µ(L).dL) (L = LOR) => Pondération des projections par un Facteur de Correction d’Atténuation (FCA) Détermination du FCA Le calcul du FCA nécessite la connaissance de la cartographie 3D des coefficients d’atténuation => Utilisation du TDM (Tomodensitomètre ou scanner à RX)

Problèmes 3- La CA en TEP utilisant les images TDM Les rayons X utilisés en TDM sont émis suivant un spectre continu de rayonnement de freinage (40-140 keV) alors que les photons d’annihilation des positons sont mono-énergétiques (511 keV). L’énergie de ces deux rayonnements est différente Energie (keV) Signal relatif 50 100 200 500 400 300 Relation non linéaire des coefficients d’atténuation entre 70 et 511 keV Retrouver la cartographie 3D des coefficients d’atténuation à 511keV nécessite une conversion des coefficients d’atténuation du TDM

La conversion des coefficients d’atténuation 3- La CA en TEP utilisant les images TDM La conversion des coefficients d’atténuation Définition d’une énergie effective du faisceau de rayons X utilisé en TDM (Eeff  70 keV) Conversion de 70 à 511 keV par segmentation des images TDM 70 keV Conversion µ70keV => µ511keV 511 keV µpoumons µtissus mous µos µpoumons µtissus mous µos Segmentation

Algorithme de reconstruction 3- La CA en TEP utilisant les images TDM Synthèse Images TDM (Eeff =70keV) Images TEP CA reformatage Sinogrammes TDM (Eeff =70keV) Algorithme de reconstruction Conversion Sinogrammes TDM (E=511keV) x Intégration Sinogrammes TEP non CA Sinogrammes TEP CA

CA des images TEP par TDM adoptée en clinique 3- La CA en TEP utilisant les images TDM Résultats Qualitatif : CA induit diminution du contraste/amélioration de la détection CA des images TEP par TDM adoptée en clinique Quantitatif : CA par TDM « robuste » Exemple : Non corrigée Corrigée Coupe transverse Coupe coronale Coupe sagittale

La TEP en pratique clinique 4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique La TEP en pratique clinique Déroulement d’un examen : Injection du 18FDG (à jeun) Repos de 45 minutes au minimum Examen TEP (45 minutes environ) La lecture des images TEP : recherche des hyperfixations pathologiques La CA utilisant le TDM impose la meilleur concordance possible entre la position du patient pendant l’examen TEP et l’examen TDM => machines hybrides : TEP et TDM couplés

A quoi ressemble une caméra TEP-TDM ? 4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique A quoi ressemble une caméra TEP-TDM ? Le TEP-TDM Biograph de Siemens

Le TEP-TDM en clinique : 4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique Le TEP-TDM en clinique : La fusion d’image : TEP-TDM Meilleure localisation anatomique des zones d’hyperfixation pathologiques TDM : information anatomique TEP – TDM : information anatomique ET fonctionnelle TEP : information fonctionnelle

Le TEP-TDM en clinique : 4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique Le TEP-TDM en clinique : La correction d’atténuation utilisant les images TDM Artefacts de corrections possibles (Produit de contraste/Prothèses)

Conclusion Avantages/Inconvénients de la CA des images TEP utilisant les images TDM : Le TDM est une modalité d’imagerie irradiante (dose au patient) Les éventuels artefacts du TDM peuvent se propager dans les images TEP corrigées de l’atténuation I L’acquisition des images de TDM est rapide Les images TDM apportent une information anatomique importante A Le but de ma thèse : évaluer l’impact de la statistique des images TDM sur la détectabilité en TEP corrigée de l’atténuation

Remerciements Bernard AUBERT Jérémy COULOT Frédéric LAVIELLE Marcel RICARD