Tomographie d'emission de Positons (TEP ou PET)

Transcription

1 Tomographie d'emission de Positons (TEP ou PET) Service Hospitalier Frédéric Joliot, DEA Neurosciences é g i R

2 Imagerie fonctionnelle (TEP) et imagerie morphologique (TDM ou CT) Tomodensitométrie X Imagerie TEP

3 Imagerie fonctionnelle (TEP) et imagerie morphologique (TDM ou CT) Tomodensitométrie X Imagerie TEP Fusion TEP/TDM

4 Imagerie fonctionnelle (TEP) et imagerie morphologique (IRM) IRM

5 Principe de l imagerie fonctionnelle utilisant des isotopes radioactifs: médecine nucléaire Injection d un traceur d un phénomène biochimique Traceur marqué avec isotope radioactif Suivi du devenir du traceur marqué dans les organes par détection du marqueur radioactif à l extérieur du patient : imagerie d émission Scintigraphie ou Tomographie monophotonique Tomographie par émission de positons Emetteur γ * * * Emetteur β

6 Radiographie de la main de Bertha Roentgen (Rontgen, 1895)

7 Appareil de radioscopie installée par Antoine Béclère dans son service à l'hôpital Tenon (1897)

8 : voitures radiologiques (les petites "Curie")

9 Invention de la méthode des indicateurs radioactifs à partir des isotopes: George de Hevesy! " # $ #!

10 Introduction des isotopes émetteurs de positons pour le suivi de processus biologiques in vivo : utilisation du Carbone-11 pour l'étude du dioxyde de carbone par les plantes (Kamen) Années 1940 : utilisation du F-18 pour étudier l'absorption du fluor par l'os (Volker) 1950 : utilisation de gaz marqués à l'oxygène-15 pour les études resporatoires (Ter Pogossian et Powers) 1955 : Installation du premier cyclotron à usage médical à l'hôpital du Hammersmith à Londres

11 Scanographe: premier appareil pour détection des isotopes émetteurs gamma Début des années 1950: le scannographe (Ben Cassen) % ' & # % 1953: la γ caméra de Anger (collimateur + cristal + guide de lumière + film)

12 Imagerie des isotopes émetteurs de positons pour le suivi de processus biologiques in vivo 1951: Wrenn, premier papier décrivant l'intérêt d'utiliser des émetteurs de positons pour la détection de tumeurs cérébrales 1953: Brownell et Sweet (premier détecteur des émetteurs de positons)

13 Imagerie des isotopes émetteurs de positons pour le suivi de processus biologiques in vivo Détection de foyers cancéraux à l'aide du 68-Ga sur le premier tomographe à émission de positons: (a) "image" de détection des photons d'annihilation du positon (b) "image" de différence des photons simples enregistrés par les deux détecteurs permettant de localiser l'hémisphère

14 Tomographie d émission 1960 s : Kuhl : premier tomographe (1 couronne de détecteurs) ()* *$ '

15 Traceurs utilisés en TEP Traceurs Fonctions 15 O-eau, 15 O-butanol perfusion, débit sanguin 18 F-fluorodéoxyglucose métabolisme du glucose 11 C-méthionine métabolisme des acides aminés 11 C-raclopride densité de récepteurs dopaminergiques D2 18 F-DOPA synthèse de la dopamine 11 C-MQNB densité de récepteurs muscariniques (système para sympathique cœur)

16 Principaux isotopes utilisés en TEP Elément O-16 C-13 H-2 N-14 (%) ISOTOPE ENERGIE DES PARTICULES DETECTEES DUREE DE VIE Oxygène kev 2 minutes Azote kev 10 minutes Carbone kev 20 minutes Fluor kev 110 minutes

17 Etapes d un examen TEP Production du radio-isotope Acquisition des images Injection du radiotraceur Synthèse du radiotraceur

18 Images de la concentration régionale des molécules radioactives en TEP 1. Modélisation du lien entre les données mesurées et la distribution de radioactivité au sein des organes: 1. Le principe de la mesure en TEP 2. Les données mesurées 3. Modélisation des effets résultant des interactions des photons de 511 kev dans les tissus 2. Caractéristiques des images: 1. résolution spatiale 2. bruit statistique

19 Principe de la TEP localisation des émetteurs de positons γ "+, γ β 0 β 1 γ γ - "+,./ Coincidence: événement résultant de la détection simultanée de 2 particules

20 Principe de la TEP: acquisition de projections Projection à un angle donné pour une coupe Axe du tomographe

21 Impact du mode d acquisition des données: mode 2D. Couronnes de détecteurs septa inter-plans &2 lignes de mesure Plan de coupe: vue transaxiale Vue axiale

22 Acquisition des données: mode 3D. Couronnes de détecteurs Couronnes de détecteurs &2 Plan de coupe : vue transaxiale lignes de mesure Vue axiale

23 Données mesurées en TEP 3, * ** 33 Coïncidences vraies Coïncidences diffusées Atténuation des coïncidences Coïncidences fortuites

24 Images de la concentration de molécules radioactives au sein des organes Exploitation du lien entre les données mesurées et la distribution radioactive. 3 *, **

25 Principal mode d interaction des gamma de 511 kev dans les tissus mous: diffusion Compton. # θ #5 04-1θ Atténuation des gamma dans les tissus mous: 6 ) 6 656) 21µ!2 2 µ5τ 0σ 0σ 0Κ σ )7) 1 #!

26 Facteurs déterminants la détection de coïncidences «diffusées» en TEP %. 2. &

27 Distribution spatiale des coïncidences diffusées Imagerie abdominale.. -" -) " ) " ) ) )) -)) )) 9)) ")) :)) ()) :) 9) -) ) % ) )) -)) )) 9)) ")) :)) ()) %

28 La diffusion Compton: information en énergie.., 33 %33, )) -)) )) 9)) ")) :)) ()) +,

29 Facteurs déterminants la détection de coïncidences fortuites en TEP. 6 ; 5+!&!ε#.ω' ( #!&!ε 2.ω (2/ ;!-τ (2/3 & ε : 33 ω, ω' 8 2τ 3< / + # =#!&!ω' 2 4ω)!-τ

30 Géométrie de détection des coïncidences fortuites %. 2. &8 &/

31 Impact du mode d acquisition des données: mode 2D. Couronnes de détecteurs septa inter-plans &2 lignes de mesure Plan de coupe: vue transaxiale Vue axiale

32 Acquisition des données: mode 3D. Couronnes de détecteurs Couronnes de détecteurs &2 Plan de coupe : vue transaxiale lignes de mesure Vue axiale

33 Taux de comptage en imagerie cérébrale Coincidences (kcps) -)))!)) "))!)) )))!)) "))!)) )!)) 3D )!)) )!)) -)!)) )!)) Activity concentration in thoracic cavity (kbq/ml) 3 Coincidences (kcps) D Activity concentration in the thoracic cavity (kbq/ml)

34 Taux de comptage en imagerie corps entier 3D D Coincidences (kcps) Activity in the thoracic cavity (kbq/ml) 3 33 Coincidences (kcps) Activity concentration (kbq/ml)

35 Taux de comptage en imagerie corps entier 3D 2D Count rate (kcps) Singles (Mcps) 3 33 Coincidences (kcps) Singles (Mcps) Mean activity in the phantom thoracic cavity (kbq/ml) Mean activity in the phantom thoracic cavity (kbq/ml)

36 Correction des coïncidences fortuites. > Calcul à partir du taux de photons simples enregistrés sur les détecteurs par la formule N R = N 2 S!-τ N S taux de photons uniques sur chaque détecteur 2 τ 5fenêtre temporelle de coïncidence; > Soustraction d'un bruit de fond (niveau estimé dans les projections) Mesure dans une fenêtre de coïncidence dont l une des voies électroniques est décalée dans le temps

37 Principal mode d interaction des gamma de 511 kev dans les tissus mous: diffusion Compton. # θ #5 04-1θ Atténuation des gamma dans les tissus mous: 6 ) 6 656) 21µ!2 2 µ5τ 0σ 0σ 0Κ σ )7) 1 #!

38 Attenuation des coïncidences en TEP : projection atténuée. φ S φ µ µ µ + + S φ y S 0 x φ

39 Atténuation des photons en imagerie cérébrale

40 Atténuation des photons en imagerie corps entier. ' 3321Σ i µ i l i. 33µ

41 Mesure avec une source β+ en rotation source β + Collimation électronique Mesure des couples de photons d annihilation en coïncidence sans et avec le patient : N = N 0 exp -Σ i µ i. x i Organisation des données en projections

42 Méthodes hybrides: segmentation et ajustement de la carte des µ segmentée - segmentation os / tissus - µ os x µ tissus mous x 0.54 Lissage à la résolution spatiale du TEP CT TEP

43 Inhomogénéités de détection

44 Reconstruction des données mesurées. '3 '6 ) 4652Σ i µ i l i ) 6. 33?6 )

45 Extraction des informations Cinétique du traceur dans région Traitement des images

46 Limites à la quantification de la concentration radioactive Caractéristiques des images : Biais systématiques: effet de volume partiel (Résolution spatiale limitée) Rapport signal sur bruit dans les images : fluctuations statistiques de la concentration d émetteur de positons dans un élément de volume

47 Résolution spatiale intrinsèque en TEP. Distance minimale qui doit séparer 2 points pour qu ils soient distincts. Facteurs limitant la précision de l image reconstruite : Parcours du positon avant annihilation : 0,5 mm ( 18 F) - 5 mm ( 76 Br) Incertitude sur l angulation des γ : ~2 mm Incertitude due aux dimensions des détecteurs : 1-3 mm Utilisation de blocs détecteurs : ~2 mm Etat de l art : mm isotrope pour l imagerie chez l homme

48 Performances de détection des TEP : sensibilité Sensibilité absolue : taux de coïncidences vraies détectées pour une source centrée sans atténuation Facteurs limitant la sensibilité: Propriétés des détecteurs : pouvoir d arrêt des gamma de 511 kev, Géométrie d acquisition (2D/3D) Sensibilité pratique (en présence d un milieu atténuant): Propriétés des détecteurs : temporelles Effet d atténuation des couples de γ émis simultanément Etat de l art : 0.5 % to 5 %

49 Impact des caractéristiques du tomographe sur la quantification > 8 >5A 7 > 8$B >C8, #2 ## % ' 3, D46%4 9!+8 %3 7) 7 7% *'7 6/ ## 2 3!

50 TEP = méthode d exploration fonctionnelle (biochimique) quantitative : synthèse >E * 8 * F$*'* >

51 TEP = méthode d exploration fonctionnelle quantitative : ; G H8 3 % % -7"$" -$ )!"$ )!"$