Bases physiques de la tomographie d’émission de positons (TEP)

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1 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

2 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

3 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 F 110 min. 1,0 mm Carbone C min. 1,1 mm Azote N min. 1,4 mm Oxygène O min. 1,5 mm L ’émission de positons La détection Le 18F- FDG

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

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

6 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)

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

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

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

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

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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

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

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

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

19 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:

20 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

21 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

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

23 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

24 Biodistribution normale du [F18]-FDG
Caméra TEP dédiée

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

26 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)

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

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

29 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

30 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

31 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

32 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

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

34 Extension ganglionnaire : N

35 Extension ganglionnaire : N

36 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

37 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

38 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

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

40 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

41 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

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

43 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

44 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

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