TOMOGRAPHIE PAR EMISSION DE POSITONS Remarque : ce cours est un complément du poly Introduction : La TEP est une technique de médecine nucléaire récente : technique de diagnostic, de lutte et de suivi du cancer. Définitions Marqueurs : atomes radioactifs émetteurs gamma ou béta + accrochés à une molécule biologique active (vecteur), l ensemble va aller se fixer sur la zone que l on veut visualiser. On fabrique alors une image en mesurant la radioactivité. Traceur : Vecteur + Marqueur Scintigraphie : distribution 2D ou 3D du traceur. - Les marqueurs en TEP Utilisation médicale des isotopes : - Emetteurs de photons uniques gamma : Ce sont des résidus de produits de fission par réaction nucléaire. Ce sont de gros atomes, il sera donc difficile de marquer les petits atomes. 1- Emetteurs de positons béta + Un atome (Fluor) possède un excès de protons : un proton se transforme en neutron, puis émission d un positon. Celui ci rencontre un électron, avec phénomène d annihilation, et émission de deux photons gamma à 180. Historique : Traceurs principaux en EMP Utilisés en médecine nucléaire. Cf tableau Les marqueurs sont de gros atomes et les vecteurs sont des molécules complexes, crées de manière artificielle, possédant une période relativement longue donc facile à utiliser. Il existe cependant un inconvénient : seules les grosses molécules peuvent être marquées. 1
Traceurs principaux en TEP Les marqueurs utilisés permettent de «marquer» les atomes de base de la biochimie (O, C, N) Leur période est courte, la production étant faite au sein de l hôpital, le patient se doit d être à l heure. Production d isotopes Béta + : le cyclotron Principe : On fait entrer un proton dans un noyau d un atome stable, suivi de l émission d un neutron. Il faut pour cela donner au proton une forte énergie cinétique, d où la nécessité d un mini accélérateur de particules : le cyclotron. L ion H- est placé dans un champ magnétique : il décrit une trajectoire spiralée et subit de grandes accélérations par une différence importante de potentiel. Il se charge alors en énergie cinétique et atteint une énergie de 10 MeV, énergie suffisante pour pénétrer le noyau. L ion H- finit par traverser une plaque de carbone qui lui retire 2 électrons (on dit qu il est «épluché»), et constitue alors un proton. Puis on envoie un proton sur l eau lourde --> Formation d un fluor radioactif et d un neutron. Nature du signal en TEP Après le freinage sur 2 à 3mm (causé par un électron), l énergie cinétique du positon est quasi nulle. Il s effectue alors la réaction d annihilation avec émission de deux photons gamma de même énergie, émis à 180 l un de l autre. Remarque : il existe une limitation en résolution qui correspond à la distance de freinage (3mm). - Formation de l image a) Détecteur de photons gamma (Anger) Anger est composé de : _d un cristal de scintillation qui transforme un photon gamma d une forte énergie e plusieurs photons moins énergétiques. Cela se fait par effet Compton (ionisations d électrons et émission e photons de fluorescence (UV)) et par effet photoélectrique. L énergie de tous les photons de fluorescence additionnés correspond a l énergie du photon de départ. _d un photomultiplicateur qui permet la création d un courant électrique proportionnel a l énergie du photon de départ. On obtient une suite de pics (cf poly) et chaque pic correspond à un photon gamma détecté. La sélection de photons est appelée spectrométrie (un pic d intensité plus faible peu correspondre à un proton diffusé). Pour calculer la localisation : 2
b) Tomographie en coïncidence 2D On ne s intéresse qu à une coupe : les photons qui ne sont pas dans le plan de la coupe sont arrêtés par le collimateur (il y a donc diminution du rapport signal bruit). Projection (p)= a1+a2+ +an c) Tomographie en coïncidence 3D On supprime le collimateur : on intègre les projections obliques. Ceci permet la reconstitution d un volume 3D. d) Détection en coïncidence Si deux évènements ont été captés par deux détecteurs en même temps (inférieur à quelques ns), on dit qu ils sont en coïncidence. On appelle ligne de réponse la ligne qui relie une paire de détecteurs. Artéfacts 1) Coïncidences fortuites La fenêtre repère une désintégration au lieu de 2 (et dans chaque désintégration, un photon se fait absorber par l organisme). Comment supprimer cet artéfact? 2 possibilités : - l estimation 2- la mesure L estimation : on soustrait le faux signal évalué en dehors du patient (LOR) La mesure : grâce à une fenêtre temporelle décalée, on supprime les coïncidences dues au hasard. Remarque : les coïncidences fortuites sont parfaitement corrigées. 2) Les atténuations photo électriques On ne détecte qu un seul photon gamma sur les deux : l un est absorbé car il doit traverser une épaisseur plus importante de l organisme. Il y a donc une sous estimation des signaux. 3
3) Les atténuations Compton Ces atténuations sont responsables de 50% de la détection. Il y a sous estimation de la vraie projection et sur estimation de la projection diffusée (artéfact). Pour minimiser cet effet, il est nécessaire d évaluer les coefficients d atténuation, et donc d évaluer les densités. On utilise pour cela un scanner X qui permet de caractériser les tissus traversés. Tous les TEP sont ainsi équipés d un scanner X : TEP-TDM ou TEP-Scan. Comment corriger ces deux atténuations? - Reconstruction tomographique Reconstruction en TEP Reconstruction 2D de données 2D Réarrangement 2D de données 3D On somme des projections discrètement obliques à une projection transverse, ce qui permet une diminution des bruits. Reconstruction 3D de données 3D - Traitement de l image (cf. poly) Rendu de surface On sélectionne dans chaque direction le signal le plus intense Visualisation multimodale On associe au TEP un scanner pour diminuer les artéfacts et localiser les différents organes. 4
V- Imagerie du glucose Le vecteur : 18FDG La captation cellulaire de cette molécule est identique à celle du glucose. Rappel sur le métabolisme cellulaire du glucose Des récepteurs membranaires captent le glucose. S ensuit une chaîne de réactions biochimiques : la glycolyse. Ceci permet au final, en condition d aérobiose, et dans la mitochondrie, la production d ATP. La glycolyse utilise 3 types d enzymes : - l hexo/gluco kinase o PFK (qui subit un effet Pasteur, c est à dire un rétrocontrôle négatif par l ATP) - la pyruvate kinase Dans une cellule normale, il existe parallèlement la voie des pentoses qui rejoint la glycolyse. Dans la plupart des cancers, la cellule exprime des facteurs de croissance et des oncogènes (protéines) qui augmentent le nombre de récepteurs membranaires, donc la capacité de pompage du glucose. De plus l intensité du fonctionnement des enzymes est modifiée : l activité de l hexokinase augmente, l effet Pasteur est inhibé, et la pyruvate kinase «bloquée» (son action n augmente pas en proportion des deux autres). On a donc une accumulation de G6P et de glycéraldéhyde 3P. Ces deux molécules partent vers la voie des pentoses, entraînant une formation très importante de ribose et donc d ADN (au lieu d ATP). Métabolisme du FDG Difficultés FP= Faux positif FN= Faux négatif Pour la suite, nous vous renvoyons au polycopié, car il n y a pas plus de détails. 5