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 Radionucléides émettant des positons Positon : particule bêta positive = β+ Emetteur de positons : Radionucléide artificiel, produit dans un cyclotron, en bombardant une cible déterminée par un faisceau de protons Principaux radionucléides émetteurs β+ utilisés en médecine demi-vies & parcours moyen dans l eau Fluor F 110 min. Carbone C 20 min. Azote N 10 min. Oxygène O 2 min. 1,0 mm 1,1 mm 1,4 mm 1,5 mm

3 Synthèse du radionucléide émetteur de positons Cyclotron

4 Du positon aux photons Annihilation 511 kev 511 kev γ e- γ β+

5 TOMOGRAPHIE PAR EMISSION DE POSITONS Détection en coïncidence e+ ** e- Détecteur 2 *e+ Détecteur 1 Lignes de réponse (LdR) Circuit de coïncidence

6 Caméra TEP dédiée

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

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

9 Détection de coïncidence 511 kev LDR LDR 511 kev Coïncidence vraie: 511 kev 511 kev Fenêtre temporelle: 6-12ns Coïncidence fortuite: - les 2 γ sont totalement absorbés (P-P) - LDR (ligne de réponse) passe par l'objet - 2 γ sont détectés, mais issus d'objets - LDR ne passe pas par l'objet

10 Coïncidences diffusées 300 kev 300 kev LDR 511 kev 400 kev LDR LDR 511 kev 300 kev Diff. dans le patient: Diff. dans le cristal: Double diffusion: kev-compton - LDR incorrecte kev-compton - LDR correcte - Compton-Compton - LDR incorrecte

11 Mode 3D ou mode 2D Cristal Septa TEP = technique 3D par excellence sensibilité (nombreux évènements) faible activité ( coïncid fortuites) acquisitions plus courtes qu en 2D Mais, temps de reconstruction élevés, plus de coïncidences diffusées et fortuites qu en 2D Les septa réduisent: les coïncidences fortuites ( angle solide effectif) le rayonnement diffusé Mais, temps d acquisition plus long qu en 2D, activité plus forte.

12 Correction d'atténuation Principe: 1. Le flux des photons est atténué de façon différente selon la densité des structures traversées avant d atteindre le détecteur 1. Pour corriger, il faut acquérir une µ tissu cartographie des coefficients d atténuation à l aide d une N source γ (68Ge, 137Cs, ) ou X = N (TDM) externe 0 µ air e-µd 1. On corrige ensuite sur ordinateur l image d émission grâce à celle de transmission

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

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

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

16 TEP couplée à la TDM 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: Schöder et al. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2003;30:

17 Le FDG-(18F), sucre analogue du glucose FLUORO-(18-F)-2-DESOXYGLUCOSE

18 Le FDG-(18F), sucre analogue du glucose FDG-(18F) hexokinase FDG (18F)-6-phosphate Cancer forte consommation de glucose glucose-6-phosphate isomérase FDG-(18F)-6-phosphate Warburg O. The metabolism of tumours. London, 1930

19 Biodistribution normale du FDG-(18F) Caméra TEP dédiée

20 TEP au FDG-(18F) Examen normal, visualisation MIP

21 Précautions d examen Contre indication : grossesse (rayonnement ionisants) Allaitement suspendu 12h Radiothérapie < 4 mois si possible, 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 > 60 min, repos strict Eventuellement myorelaxants Réactivation thymique sous chimiothérapie Sonde gastrique à demeure Activation de la graisse brune

22 Biodistribution pathologique du FDG-(18F) comparé au F-(18F) Na chez un patient atteint de cancer du pancréas F-(18F) Na FDG-(18F)

23 QUELQUES EXEMPLE DE TOMOGRAPHIE PAR EMISSION DE POSITONS AU FDG-(18F) EN PATHOLOGIE TUMORALE BRONCHO-PULMONAIRE

24 Vue MIP Transverse Sagittale Frontale Patiente de 54 ans, tabagique Nodule isolé du poumon droit, suspect TEP au FDG-(18F) indiquée Pas de captation de FDG par le nodule Histologie : granulome inflammatoire Pas de cellule maligne

25 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

26 Vue MIP 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

27 Extension ganglionnaire : N

28 Extension ganglionnaire médiastinale : N

29 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

30 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

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

32 Extension métastatique : M ging/pet_bone_mets1.jpg /Malignant/Lungcancer/Staging/pet_bonescan_comp.jpg Scintigraphie du squelette bisphosphonates-(99mtc) TEP au FDG-(18F)

33 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

34 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

35 Radionucléides émettant des positons Positon : particule bêta positive = β+ Emetteur de positons : Radionucléide artificiel, produit dans un cyclotron, en bombardant une cible déterminée par un faisceau de protons Principaux radionucléides émetteurs β+ utilisés en médecine demi-vies & parcours moyen dans l eau Fluor F 110 min. Carbone C 20 min. Azote N 10 min. Oxygène O 2 min. 1,0 mm 1,1 mm 1,4 mm 1,5 mm

36 Synthèse du radionucléide émetteur de positons Cyclotron

37 Du positon aux photons Annihilation 511 kev 511 kev γ e- γ β+

38 TOMOGRAPHIE PAR EMISSION DE POSITONS Détection en coïncidence e+ ** e- Détecteur 2 *e+ Détecteur 1 Lignes de réponse (LdR) Circuit de coïncidence

39 Caméra TEP dédiée

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

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

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

43 Coïncidences diffusées 300 kev 300 kev LDR LDR 511 kev 400 kev LDR 511 kev 300 kev Diff. dans le patient: Diff. dans le cristal: Double diffusion: kev-compton - LDR incorrecte kev-compton - LDR correcte - Compton-Compton - LDR incorrecte

44 Mode 3D ou mode 2D Cristal Septa TEP = technique 3D par excellence sensibilité (nombreux évènements) faible activité ( coïncid fortuites) acquisitions plus courtes qu en 2D Mais, temps de reconstruction élevés, plus de coïncidences diffusées et fortuites qu en 2D Les septa réduisent: les coïncidences fortuites ( angle solide effectif) le rayonnement diffusé Mais, temps d acquisition plus long qu en 2D, activité plus forte.

45 Correction d'atténuation Principe: 1. Le flux des photons est atténué de façon différente selon la densité des structures traversées avant d atteindre le détecteur 1. Pour corriger, il faut acquérir une µ tissu cartographie des coefficients d atténuation à l aide d une N source γ (68Ge, 137Cs, ) ou X N0 = (TDM) externe µ air e-µd 1. On corrige ensuite sur ordinateur l image d émission grâce à celle de transmission

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

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

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

49 TEP couplée à la TDM 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: Schöder et al. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2003;30:

50 Le FDG-(18F), sucre analogue du glucose FLUORO-(18-F)-2-DESOXYGLUCOSE

51 Le FDG-(18F), sucre analogue du glucose FDG-(18F) hexokinase FDG (18F)-6-phosphate Cancer forte consommation de glucose glucose-6-phosphate isomérase FDG-(18F)-6-phosphate Warburg O. The metabolism of tumours. London, 1930 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.

52 Biodistribution normale du FDG-(18F) Caméra TEP dédiée

53 TEP au FDG-(18F) Examen normal, visualisation MIP

54 Précautions d examen Contre indication : grossesse (rayonnement ionisants) Allaitement suspendu 12h Radiothérapie < 4 mois si possible, 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 > 60 min, repos strict Eventuellement myorelaxants Réactivation thymique sous chimiothérapie Sonde gastrique à demeure Activation de la graisse brune

55 Biodistribution pathologique du FDG-(18F) comparé au F-(18F) Na chez un patient atteint de cancer du pancréas F-(18F) Na FDG-(18F)

56 QUELQUES EXEMPLE DE TOMOGRAPHIE PAR EMISSION DE POSITONS AU FDG-(18F) EN PATHOLOGIE TUMORALE BRONCHO-PULMONAIRE

57 Vue MIP Transverse Sagittale Frontale Patiente de 54 ans, tabagique Nodule isolé du poumon droit, suspect TEP au FDG-(18F) indiquée Pas de captation de FDG par le nodule Histologie : granulome inflammatoire Pas de cellule maligne

58 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

59 Vue MIP 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

60 Extension ganglionnaire : N

61 Extension ganglionnaire médiastinale : N

62 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

63 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

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

65 Extension métastatique : M Scintigraphie du squelette bisphosphonates-(99mtc) TEP au FDG-(18F)

66 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