Les contrôles de qualité en tomographie d émission de positons. Marine Soret, PhD HIA du Val-de-Grâce, Médecine Nucléaire, Paris

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1 Les contrôles de qualité en tomographie d émission de positons Marine Soret, PhD HIA du Val-de-Grâce, Médecine Nucléaire, Paris 1

2 Le contrôle de qualité en TEP Contrôle de qualité quotidien Contrôles de qualité mensuels Contrôles de qualités annuels et mesure des performances Conclusion 2

4 Contrôle de qualité quotidien Principe Évaluer la réponse du tomographe avant toute utilisation clinique Matériel : Source scellée de géométrie variable Acquisition : Procédure intégrée par le constructeur Données : sinogramme Traitement des données Estimation des variations de sensibilité relative des blocs de détection visuellement ou quantitativement par rapport à un sinogramme de référence Test des gains des tubes photomultiplicateurs Tests de position du pic d absorption totale, résolution en énergie, synchronisation temporelle et temps mort Transmission à blanc ou TDM dans l air Niveaux d alerte pour qualifier les dysfonctionnements du système 4

5 Contrôles de qualité quotidiens Sinogramme de référence Analyse visuelle Problème? Analyse quantitative 5

7 Contrôles qualités s mensuels Trois tests simples sont recommandés : Contrôle de l exactitude des coefficients d atténuation (TEP seul) + 18F Contrôle de l uniformité de la coupe reconstruite et indice SUV (TEP seul et TEP/TDM) Concordance des axes géométriques des statifs TEP et TDM (TEP/TDM) + 18F ou sources scellées 7

8 Principe Contrôle de l exactitude l des coefficients d attd atténuation Contrôle de l exactitude et l uniformité des coefficients µ d un objet radioactif rempli d eau. Nécessite l accès à la carte d atténuation à 511keV. Ce test concerne les systèmes TEP seuls. Matériel et activité 1 cylindre creux rempli de 18F de concentration radioactive clinique Acquisition et reconstruction des images Acquisition : 2 acquisitions avec et sans 18F Données : Cartes d atténuation à 511 kev (avec et sans 18F) Traitement des données Analyse visuelle et quantitative : Tracé d 1 ROI et mesure de la valeur moyenne de μ μ 511keV =0,096 cm -1 Action corrective si dérive de la valeur moyenne des μ supérieure à 5 % 8

9 Contrôle de l exactitude l des coefficients d attd atténuation Impact sur les images TEP reconstruites des coefficients d atténuation μ=0,096 cm -1 μ=0,090 cm -1 μ=0,100 cm -1 Image TEP reconstruite avec correction d atténuation Profil sous-correction de l atténuation sur-correction de l atténuation Images: UCLA School of Medicine 9

10 Contrôle de l uniformitl uniformité de la coupe reconstruite et du SUV Principe Contrôle de l indice SUV utilisé pour le suivi thérapeutique des patients. L indice SUV d un objet de concentration radioactive uniforme et connue doit être égale à 1. Ce test concerne tous les systèmes Matériel et activité 1 cylindre creux rempli de 18F de concentration radioactive connue avec précision Acquisition et reconstruction des images : Volume TEP de routine Traitement des données Uniformité : Analyse visuelle et quantitative par des ROI annulaires. Calcul de l indice de non-uniformité radiale Indice SUV : L indice SUV moyen = 1 ± 5 % Action corrective si variation du SUV sur les plans de coupe > à 10 %. u r, s = max j { a } { } j, s min a j, s [ 1,5] j [ 1,5] 5 a j, s j=

11 Contrôle de l uniformitl uniformité de la coupe reconstruite et du SUV Calcul de l indice de non-uniformité radiale Artefacts annulaires Image sans artefact 11

12 Concordance des axes géomg ométriques TEP et TDM Principe Vérifier la superposition des images TEP et TDM d un objet visible dans les 2 modalités par le logiciel associé au système. Ce test concerne uniquement les systèmes hybrides. 22Na Matériel Objets test : Une source linéaire ou des sources ponctuelles disposées pour explorer les 3 axes du tomographe Radionucléide :- une source scellée linéaire de 68Ge - ou sources scellées ponctuelles de 22Na - ou des tubes à hématocrite + produit de contraste iodé + 18F Acquisition et reconstruction des images Volume TEP reconstruit sans correction d atténuation 12

13 Concordance des axes géomg ométriques TEP et TDM Traitement des données Analyse visuelle: Vérifier la superposition entre l image TEP et TDM avec le logiciel constructeur Analyse quantitative: Calcul des centres de masse des différents objets dans chaque modalité Action corrective si décalage moyen supérieur à la moitié de la dimension du pixel de l image TEP 13

14 Concordance des axes géomg ométriques TEP et TDM Mauvaise concordance TEP et TDM Correction d atténuation décalée volume TEP reconstruit carte d atténuation profil sur-correction de l atténuation sous-correction de l atténuation 14

16 Contrôles qualités s annuels Ils se composent de : Le contrôle de l exactitude du calibrage de la taille des voxels TEP Le suivi des performances par rapport aux tests effectué à la réception selon : le rapport SFPM N 24 ou la norme NEMA ou la norme IEC 16

17 Contrôle de la taille des voxels de l image l TEP Principe Vérifier l exactitude des dimensions des voxels des images TEP en calculant la distance séparant des sources ponctuelles selon les trois axes principaux Matériel Six sources quasi-ponctuelles positionnées par paire selon les 3 axes (18F dans des tubes à hématocrite) Acquisition et reconstruction d (mm) Données : Volume TEP reconstruit sans correction des diffusées et de l atténuation Traitement des données Mesure de la distance en pixels séparant les deux sources sur l image TEP Taille du pixel en mm = distance en mm / distance en pixel Action corrective si la différence entre la taille du pixel mesurée et la taille du pixel théorique est > à 2 %. 17

18 Mesure des performances Le suivi des performances permet de vérifier que les caractéristiques physiques de la caméra sont stables. Selon les recommandations SFPM, il regroupe les tests de : Résolution spatiale Fraction de coïncidences diffusées Taux de comptage et sensibilité Exactitude des corrections Qualité image Tests spécifiques aux appareils hybrides 1 manipulation 18

19 Résolution spatiale Principe Déterminer la résolution spatiale par la mesure de la largeur de la réponse impulsionnelle du système suivant les trois axes dans l image reconstruite Matériel Objets test : source pseudo-ponctuelle (capillaire en verre avec une goutte de 18F de concentration 250 MBq/ml) Acquisition 4 acquisitions correspondant à 4 positions de la sources Positions x [cm] y [cm] z [cm] ½CdVA ½CdVA ¼CdVA ¼CdVA Position 1 Position 2 19

20 Résolution spatiale Reconstruction des images Volume TEP reconstruit (zoom) sans correction des diffusées et de l atténuation Traitement des données Tracés de profils dans les 3 directions. Détermination des largeurs à mi-hauteur (LMH) et à un dixième du maximum (LDH) des trois profils de la réponse impulsionnelle du système. LMH=4,6mm LDH=9,4mm Fréquence: Recette, une fois par an et à chaque mise à jour logicielle affectant la reconstruction 20

21 Manipulation globale Principe Les 2 mêmes objets test et les mêmes acquisitions sont utilisés pour les tests suivant : - fraction de coïncidences diffusées Cylindre à section circulaire - taux de comptage et sensibilité - exactitude des corrections Matériel Cylindre simulant l'effet de l'activité en dehors du champ de vue Objets test : - un cylindre creux de section circulaire de 10 cm de rayon - un objet creux de même volume interne pour simuler l effet de la présence d activité en dehors du champ de vue Radionucléide : Les deux objets sont remplis d une même solution homogène de 18F de concentration d activité connue précisément (activité minimale de départ de 500 MBq) 21

22 Manipulation globale Acquisition 1) Plusieurs acquisitions TEP de 15 minutes centrées sur l objet test 1 réalisées pendant 4 périodes de décroissance de l isotope toutes les 30 minutes 2) 1 acquisition TDM ou transmission 3) 1 acquisition TEP de 15 minutes centrée entre les deux objets test 4) 1 acquisition TEP de deux heures centrée sur l objet test 1 y y Champ de Champ de Objet test 1 Objet test 2 z Objet test 1 Objet test 2 z vue vue T fortuit = 10 % T total ou T fortuit = 50 % T total 4 périodes de décroissance heures Émission 15 minutes TDM ou transmission Émission 15 minutes, objets test décalés Émission 2 heures 22

23 Fraction de coïncidences diffusées Coïncidence vraie (T v ) Coïncidence vraie non diffusée (T vnd ) Coïncidence aléatoire ou fortuite (T f ) γ = 511 kev γ = 511 kev Coïncidence vraie diffusée (T d ) Fraction de diffusées FD=T d /T v

24 Fraction de coïncidences diffusées Principe Ce protocole nécessite un traitement au niveau des sinogrammes On estime le diffusé entre les 2 objets tests (les coïncidences mesurées sont obligatoirement diffusées) Émission 15 minutes T fortuit = 50 % T total T fortuit = 10 % T total ou 4 périodes de décroissance du 18 F 10 périodes de décroissance du 18 F TDM ou Transmission Émission 15 minutes, objets test décalés heures Corrections et reconstruction des images : Aucune Traitement des données Émission 2 heures Estimation des coïncidences vraies diffusées et de la fraction de diffusées à partir des sinogrammes Fréquence Recette, une fois par an et à chaque changement de matériel pouvant affecter la fraction de coïncidences diffusées 24 y Champ de Objet test 1 Objet test 2 vue z

25 Taux de comptage et sensibilité Principe Évaluer les capacités de comptage du tomographe, dans une géométrie proche de celle des examens corps entiers, pour une large gamme de concentrations radioactives. - mesurer la contribution relative des coïncidences fortuites et diffusées par rapport aux coïncidences vraies - calculer l indice de rapport signal sur bruit :Noise Equivalent Count Rate - mesurer la sensibilité du tomographe Émission 15 minutes T fortuit = 10 % T total ou Transmission ou TDM T fortuit = 50 % T total 4 périodes de décroissance du 18 F 10 périodes de décroissance du 18 F Émission 15 minutes, objets test décalés Émission 2 heures heures Reconstruction des images Aucune correction ni reconstruction. Report des taux de coïncidences totales T tot et fortuites T f 25

26 Taux de comptage et sensibilité Traitement des données Report des taux de comptage Pour chaque acquisition, on calcule: - le taux de coïncidences vraies T v =T tot -T f - le taux de coïncidences vraies non diffusées T vnd = T v (1- FD s ) Si la FD s n a pu être calculée, FD s =0 - le taux de coïncidences diffusées T d = T v FD s - l indice NECR = T vnd2 /T tot kcps/s T vnd T d 0 NECR kbq/ml La valeur maximale du taux de coïncidences vraies et du NECR ainsi que les valeurs de concentrations radioactives correspondantes sont reportées. 26 T tot T f

27 Taux de comptage et sensibilité Traitement des données Sensibilité L acquisition supplémentaire de deux heures est utilisée pour le calcul de la sensibilité du tomographe : Sensibilité = T v (coups/s) / Concentration d activité dans l objet (Bq/ml) Fréquence Recette, une fois par an et après tout changement majeur des détecteurs et/ou de l électronique d acquisition 27

28 Exactitude des corrections Principe Déterminer la plage de linéarité de la mesure de la concentration radioactive à partir de l image TEP en fonction de la concentration radioactive présente dans le champ de vue. T fortuit = 10 % T total Émission 15 minutes ou 4 périodes de 10 périodes de Transmission ou TDM T fortuit = 50 % T total décroissance du 18 F décroissance du 18 F Émission 15 minutes, objets test décalés heures Émission 2 heures Reconstruction des images Série d acquisitions de 15 minutes : reconstruction avec protocole clinique en coups/voxel/seconde. 28

29 Traitement des données Exactitude des corrections Vérification de la linéarité des mesures TEP en fonction de l activité Pour chacune des acquisitions de 15 minutes, mesure de la valeur moyenne dans une ROI dessinée sur l ensemble des coupes. courbe de la valeur moyenne en fonction de la concentration d activité A théorique. La plage de radioactivité pour laquelle la mesure TEP varie linéairement avec la concentration radioactive est repérée. A mesurée coups/voxel/s A (Bq/ml) Fréquence Plage de linéarité A théorique Bq/ml Recette, une fois par an et après tout changement de logiciel pouvant influer sur les paramètres mesurés. 29

30 Qualité d image Principe Évaluation de la qualité image globale du système (acquisition, reconstruction, quantification) pour une situation «clinique» Matériel Inserts poumon Objets test : cylindre simulant un thorax comprenant un jeu de sphères de différents diamètres + cylindre creux Activité: 18F de concentration d activité > à celle utilisée en routine clinique. Quatre sphères «chaudes» et deux sphères «froides» Acquisition et reconstruction Données : Volume TEP reconstruit selon protocole clinique y Champ de Objet test 1 Objet test 2 vue Acquisition z

31 Qualité d image Traitement des données Contraste : Pour chaque sphère, tracé de ROI de diamètre identique au diamètre de la sphère. 3 ROI sont tracées dans le fond. Mesure de la valeur moyenne. Coefficient de recouvrement du contraste = Q Q chaude = ROI ROI a chaude chaude a fond fond 1 1 Q froide = 1 ROI ROI froide fond fond 17 mm ROIchaud 10 mm ROIfond ROIchaud 22 mm ROIchaud 17 mm ROIfroid 28 mm ROIfroid 37 mm ROIfond Mesure de la variabilité du fond : 24 ROI circulaires sont tracées dans le cylindre creux. σ ( ROI j,variabilité ) Variabilité du fond = VAR j = ROI Fréquence j,variabilité Recette, une fois par an et après tout changement de logiciel pouvant influer sur les paramètres mesurés (reconstruction, corrections, quantification). 31

32 Principe Exactitude de la carte d attd atténuation pour TEP-TDM TDM Évaluer la précision de la carte d atténuation à 511 kev issue du TDM sur une large gamme de densité. Test nécessitant l accès à la carte d atténuation à 511keV. Matériel Objet test : Objet comprenant des inserts de différentes densités dont les coefficients d atténuation aux énergies de 70 kev et 511 kev sont connus. Acquisition et reconstruction Acquisition : TDM de routine Données : Carte d atténuation à 511 kev Traitement des données ROI circulaire tracée sur la carte d atténuation à 511 kev au centre de l insert. Mesure des valeurs moyennes et comparaison à la valeur du coefficient d atténuation théorique à 511 kev. Fréquence Carte d atténuation à511kev Recette, une fois par an, après tout changement de logiciel pouvant influer sur les paramètres utilisés et après chaque intervention sur le TDM. 32 Image TDM

33 Exactitude de la correction d attd atténuation pour TEP-TDM TDM Principe Évaluer l exactitude de la correction d atténuation dérivée du TDM. Matériel 3 cylindres creux rempli d une même solution radioactive mais avec concentration de produit de contraste différente Acquisition et reconstruction : Volume TEP Traitement des données Calcul de la valeur moyenne à l intérieur de ROI circulaires tracées sur l image TEP au centre de chaque insert. Si la correction d atténuation est exacte, la même valeur doit être mesurée dans chaque insert. Fréquence Carte d atténuation Recette, une fois par an, après tout changement de logiciel pouvant influencer sur les paramètres utilisés et après chaque intervention sur TDM Image TEP reconstruite 33

35 Fréquence Quotidien Mensuel, après étalonnage Test Transmission à blanc Initialisation du TEP Émission/ Transmission Activité E E Description du test Inspection visuelle ou Analyse pixel à pixel Analyse par programme constructeur Initialisation du TDM T Étalonnage dans l air Correction d atténuation Uniformité de la coupe reconstruite SUV Conclusion E, T MBq E, T MBq E, T MBq Analyse de ROI Analyse de ROI Analyse de ROI Durée 30 à 45 minutes 1 heure Correspondance des axes géométriques E, T Analyse par programme constructeur Annuel, après mise à jour Résolution spatiale Fraction de diffusés Taux de comptage et sensibilité Exactitude des corrections Qualité image Exactitude μ E 250 MBq/ml E, T 500 MBq E, T 300 MBq T ou E,T MBq Calcul de largeurs de profils Calcul au niveau des sinogrammes Acquisitions successives Analyse de ROI Analyse de ROI Analyse de ROI 2 heures 12 heures 2 heures 35 1 heure

36 Quotidien Conclusion Mensuel Annuel Matériel Sources spécifique Quantité de 18F Durée d immobilisation 1 source scellée 0MBq 6 sources scellées 80 MBq 840 MBq 30 minutes 1 heure 16 heures 36

37 Complexité croissante Conclusion Contrôles de qualité quotidiens Matériel et traitement constructeur Contrôles de qualité mensuels Matériel basique et traitements simples Contrôles de qualités annuels et mesure des performances Matériel et traitements complexes pour certains tests Plusieurs normes possibles : SFPM, NEMA, IEC Solution proposée selon les constructeurs Position de l AFSSAPS? 37

38 Références NEMA Standards publication NU , Performance measurements of positron emission tomographs, National Electrical Manufacturers Association, NEMA Standards publication NU , Performance measurements of positron emission tomographs, National Electrical Manufacturers Association, IEC Publication , Radionuclide imaging devices. Characteristics and test conditions. Part 1 : Positron emission tomographs, 1998 IEC Publication , Nuclear medicine instrumentation. Routine tests. Part 3 : Positron emission tomographs, 2005 Contrôle de qualité et mesure des performances en tomographie d émission de positons, Rapport S.F.P.M. N 24 Société française de physique médicale Marine Soret, HIA Val-de-Grâce, Le contrôle qualité en imagerie 38