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

CEA/SHFJ 1ESIEA – Imagerie nucléaire

Imagerie fonctionnelle

nucléaire

Philippe Ciuciu (CEA/SHFJ)

[email protected]

http://www.madic.org/people/ciuciu


Principe général de l’imagerie fonctionnelle nucléaire

Etude du devenir de la molécule marquée

marqueur

Traceur caractéristique d’une fonction métabolique ou physiologique

1.

Marquage2.

3.


Principe de l’imagerie nucléaire :exemple

Matière première indispensable à la fabrication des hormones thyroïdiennes: Iode

1. Etude du devenir de la molécule

3.

2. Isotope : I-123 APEX

Tg radicaliséeLYSOSOME

Tg non iodée

MIT T4

DIT T3

GOLGIPartie glucidique

de Tg

RIBOSOMEPartie protéique

de Tg

BASE

SANG

I -

I °

COLLOIDE Tg iodée

I T4 T3

CELLULE

TPO

pinocytose


Les pierres d’angle

Détecteur

Traitement de l’information

Radiotraceur


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 n’ayant 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


Types de radiotraceurs

•Substance endogène marquée- e.g., eau marquée

•Analogue d’une 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


Rayonnement alpha

Rayonnement beta- : (électrons)

Rayonnement gamma

Le rayonnement émis par l’isotope doit être détectable

L’émission de particules d’intérêt ne doit pas être accompagnée d’émissions de radiations nocives

Radiotraceurs :contraintes physiques (1)

couplage chimique

marqueur =isotope radioactif


- particules alpha : très ionisantes, peu pénétrantes : parcours trop faible dans les tissus non adaptés à une détection externe

- électrons : ionisants, libre parcours moyen très faible dans les tissus utilisés uniquement en radiothérapie pour détruire des cellules

- photons gamma, résultant de : désexcitation d’un noyau instable annihilation de positons pénétrants donc adaptés à une détection externe

-

Radiotraceurs :contraintes physiques (2)

couplage chimique marqueur =isotope radioactif


-

Emetteurs de photons gamma

- Emetteurs de positons

Producteurs de photons gamma ()

X* X + AZ

AZ

X* Y + + A

Z-1AZ


• Emission d’un photon lors du retour d’un noyau de l’état excité à l’état stable

X* X + - rayonnement pas directement ionisant- spectre de raies : photons émis à des énergies bien déterminées

radioisotope caractérisé par ses énergie d’émission

Emetteurs de photons

AZ

AZ

99m43

9943

Tc 142,7 keV

140,5 keV

0 keVTc

1

23


• Emission d’un positon par transformation d’un proton en un neutron et un positon, avec émission d’un neutrino

X* Y + + - spectre d’émission continu : énergie cinétique du positon comprise entre 0 et Emax

• Annihilation du positon avec un électron du milieu

2 photons émis de 511 keV à ~ 180°±0.2°

Emetteurs de positons

AZ

AZ-1

+ -


• Energie du rayonnement émis- suffisamment élevée pour que les photons s’échappent de l’organisme- pas trop élevée pour que les photons puissent être détectés entre 70 et 511 keV

Radiotraceur : contraintes physiques (3)

105

105 102 1 10-3

X UV IR ondes radio

101vi

sibl

e

3.1019 3.1016 3.1014

3.10153.1011 3.108


• Période physique T du radio-isotope- durée à l’issue de laquelle la quantité d’isotope est divisée par 2:

N = N0 exp(-t) et T = ln2/-suffisamment grande pour avoir le temps de suivre le processus d’intérêt

- suffisamment courte pour éviter les irradiations inutiles

entre 2 minutes et plusieurs heures

Radiotraceur : contraintes physiques (3)


Isotope émetteur de photons privilégié : le Tc-99m

Technétium 99m (1960) : énergie = 140 keV T = 6 h

précurseur :molybdène 99

(Mo99)

Tc-99mTcO4

-

fission de l’U235 molybdène 99 : Mo99 (T=67h)

colonne d’alumine de 99MoO42-

séparation des ions TcO4- et 99MoO4

2-


Isotope émetteur de positons privilégié : le F18

Fluor 18 : T = 110 min

HO

HOHO OH

O

F18

FDG

F18

Bombardement de noyaux stables par des protons ou des deutérons


Isotopes utilisés en imagerie nucléaire

Isotope Energie Période

Emetteurs de photons

Technétium 99m 140 keV 6 heuresIode 123 159 keV 13 heures

Thallium 201Indium 111

71 171keV

keV 73 heures67 heures

Emetteurs de positons +

Oxygène 15 511 keV 2 minutesAzote 13 511 keV 10 minutes

Carbone 11 511 keV 20 minutesFluor 18 511 keV 110 minutes

Brome 76 511 keV 978 minutes


Avantages/inconvénients des radiotraceurs

• Grande sensibilité : concentration nanomolaire ou picomolaire

• Isotopes d’éléments naturellement présents dans l’organisme (C, O, H), d’où possibilité de marquage sans altérer les propriétés biochimiques de molécules

• Radiations ionisantes

• Aucun contrôle de l’activité du radiotraceur non fixé à sa cible : bruit de fond


Types d’émetteurs et techniques d’imagerie nucléaire

++

-

• scintigraphie planaire• tomographie d’émission monophotonique : SPECT ou TEMP

• tomographie par émission de positons : PET ou TEP

Emetteurs de Emetteurs de positons


Les détecteurs

Détecteur


Radiotraceur


1948 : Comptage des rayonnements gamma point par point

Compteur Geiger-Müller I-131

Mesure de l’activité en chaque point : « image » de l’émission de photons


1951 : Scintigraphe à balayage

collimateur

spectromètre

cristal

imprimante

PM

asservissement mécanique

scintigraphie


1958 : Gamma caméra

cristalcollimateur

PM

guide de lumière

électronique d’acquisition

*


Principe de la gamma caméra

cristal NaI(Tl) : 8-12 mmcollimateur

PM

guide de lumière

électronique d’acquisition

**

*

NaI(Tl) : ~ 430 nm ~ 3 eV = lumière bleue-vertedensité : 3,7 g/cm3constante de décroissance : 230 ns => 2000 cps / PMrendement lumineux : 13%


Tubes photomultiplicateurs

*

photocathode

anode

- +Vc < V1 < ...... Va

dynodes

signal électrique

photons lumineux émis par le cristal e-


Circuit de positionnement

cristal

guide de lumière

tubes PM

**

12+20+18x 12e 112

*3 2 1 1 2 3 3 2 1 1 2 3

6 12 6

18+24+6 6+24+18x0e96

12 10 6

36+20+6

x x


Caractéristiques des gamma caméras

• Résolution spatiale• Résolution en énergie• Linéarité géométrique• Uniformité de la réponse• Taux de comptageDépendent de :

collimateur nombre de tubes photomultiplicateurs performances des tubes photomultiplicateurs

nature et épaisseur du cristalélectronique de traitement du signal


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 < 20 000 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 ~ 300 000 coups/s - taux de comptage avec 20% de perte ~ 200 000 coups/s


Images planaires

**

*


Evénements détectés en SPECT

photons diffusés

*

*

direction apparente du photon détecté

bien localisés sur la ligne de projectioninformation utile

localisation erronée diminution du contraste des images

biais quantitatif

photons primaires


Importance des événements parasites en SPECT

• Proportion de photons diffusés dans la fenêtre d’acquisition

~30% pour le Tc99m>50% pour le Tl201

dépend de la morphologie du patient dépend du radioisotope

• Correction nécessaires …

énergie d’émission

énergie

nb d’événements détectés


Scintigraphie osseuse au Tc-99m

normale métastases osseuses


Imagerie cardiaque dynamique : scintigraphie cavitaire Tc-99m

P

R

T

1 16

N

ted es

Fraction d’éjection

100 x Ned - Nes

Ned

Fin de diastole Fin de systole


Irradiations liées aux examens

mSv

7

0os myoc. poum. scanner techn. naturelle organ. Paris / NY

scintigraphie

radio

/ coupe / an / an / an


Imagerie 3D des émetteurs de photons

Recueil d’images sous différentes incidences

projections

reconstruction tomographique


Différents types de détecteurs en SPECT


Notion de sinogramme en SPECT

x

23

1

x

• Ensemble des lignes de projection correspondant à une coupe


Notion de sinogramme en SPECTdétecteur en position

coupe yi

sinogramme correspondant à la coupe yi

une projection

coupe yi

xy

x

y

x

1 acquisition : P projections X x Y ou Y sinogrammes X x P


Sinogrammes et projectionsSinogrammes et projections contiennent les mêmes informations : ils ne diffèrent que par l’organisation

sinogramme correspondant à la coupe zi

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 l’angle z


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 d’un sinogramme ?

128

128

64 lignes et 256 colonnes


Détecteur pour la tomographie d’émission de positons (TEP)

circuit de coïncidence

ligne de réponse

cristaux BGO, LSOou GSO 511 keV

Collimation électronique : beaucoup plus grande sensibilité : ~0,4%Cristal plus dense ; Imagerie à 511 keV seulement


Evénements détectés en PET

*

Coïncidences vraies

coïncidences fortuites

**

bien localisées sur la ligne de projection information utile

Coïncidences diffusées

*mauvaise localisationdiminution du contrastebiais quantitatif

mauvaise localisationréduction des capacités de comptage biais quantitatif


Vocabulaire PET

Singles : événement détecté à l’intérieur de la fenêtre en énergie, qqsoit son instant d’arrivée par rapport à une fenêtre de coïncidencePrompt : événement détecté à l’intérieur de la fenêtre en énergie et dans la fenêtre de coïncidenceMultiples : ≥ 2 prompts dans une fenêtre temporelleDelayed : événements enregistrés dans une fenêtre temporelle décalée (pour correction de coïncidences fortuites)Random (fortuit) : événement non coïncident détecté dans la fenêtre de coïncidenceScattered (diffusé) : prompts issus d’une diffusion ComptonTrues : prompts - (scattered + multiples)

* single (qq soit t)

prompt (si arrivé dans fenêtre de coïncidence)


Passage des lignes de réponse aux projections

reconstruction tomographique

tri des donnéesen projections

projection


PET bidimensionnel (2D)

septa inter-plans

Vue axiale

**

Vue transaxiale

couronnes de détecteurs

**lignes de mesure


PET tridimensionnel (3D)

**

Vue transaxiale

pas de septa inter-plans

Vue axiale

couronnes de détecteurs

**lignes de mesure


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. 2004. 45:4S-14S.


Le traitement de l’information

Détecteur


Radiotraceur

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