Application de la fusion des images TEMP-TDM en cardiologie. M. T. Bajén*, Y. Ricart*, A. Rodríguez-Gasén*, J. Mora*, M. E. Quintana**, A. Benítez*, A. Domènech*, A. Ruiz-Mayoral**, R. Puchal *, C. Pallarés **, J. Martin-Comin * * Departamento de Medicina Nuclear ** Departamento de Cardiología Hospital Universitario de Bellvitge - Idibell RÉSUMÉ Le principal inconvénient des études de perfusion myocardique en TEMP est leur faible spécificité. La variable isolée qui influe le plus sur la spécificité est l atténuation photonique non homogène produite par les tissus mous. On a utilisé plusieurs techniques pour minimiser l impact de l atténuation : les "modèles typiques" de réduction d activité, l immobilisation du sein, l acquisition de l image en décubitus ventral ou le "gated-spect". Toutes ces solutions sont indirectes et ont leurs limites. L application de cartes d atténuation uniformes n est pas non plus une solution, puisque l atténuation n est pas homogène. Le mieux est de créer des cartes d atténuation à partir d images de transmission générées par une source externe de photons et un détecteur placé du côté opposé, qui compte le nombre de photons de transmission au travers du corps. C est grâce à eux que sont générées les cartes de densité (atténuation) du thorax. L utilisation d isotopes comme source externe de photons peut réduire la densité de comptage sur l image tomographique de transmission et l on observe parfois un effet de diffusion ("scatter") dans les énergies d émission communément utilisées. La solution réside dans l utilisation, comme source externe de photons, d un tube à rayons X qui donne une densité de comptage élevée ; ce débit intense de photons domine le taux de comptage provenant du 99m Tc ou du 201 Tl dans la fenêtre des rayons X. Les gamma-caméras hybrides (qui associent le système tomographique d émission et celui des rayons X) représentent la solution clinique la plus efficace. Correction d atténuation et diffusion / Perfusion myocardique / TEMP-TDM / TDM / Maladie artérielle coronarienne Correspondance : Maria Teresa Bajén Hospital Universitario de Bellvitge - Feixa Llarga s/n - 08907 Barcelona Tel. : 34 93 260 76 20 - Fax : 34 93 260 75 16 - E-mail: mtbajen@csub.scs.es Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2006 - vol.30 - n 11 773
Application de la fusion des images TEMP-TDM en cardiologie L étude de la perfusion myocardique par les radionucléides est devenue un outil indispensable dans l évaluation de patients souffrant ou pouvant souffrir de maladie artérielle coronarienne. Il a été démontré que l étude de la perfusion myocardique à l effort était supérieure au test d effort conventionnel dans l identification de patients souffrant de maladie artérielle coronarienne physiologiquement significative [1]. Outre la grande utilité diagnostique de cette technique d imagerie, le fait qu elle permette de stratifier le risque encouru par les patients a eu un impact significatif. Des études ont montré que la quantité de myocarde altéré que l on détecte sur l image de la perfusion (et qui dessine l impact physiologique de la maladie coronarienne) permet de prédire aussi bien, voire mieux, la morbidité et la mortalité cardiovasculaire que les informations anatomiques obtenues par cathétérisme cardiaque [2, 3-6]. Entre la fin des années 80 et le début des années 90, on a progressivement remplacé l image de perfusion planaire par l image tomographique (TEMP), dans laquelle on reconstruit des images transaxiales par rétroprojection filtrée (FBP) avec des filtres passe-bas. Comparée à l image planaire, la TEMP fournit une meilleure vision du myocarde, ce qui permet de détecter, de localiser et de spécifier la taille des défauts de perfusion myocardiques avec plus d exactitude. La TEMP permet également un meilleur contraste et une meilleure discrimination des régions myocardiques qui se superposent. En revanche, il faut tenir compte du fait que, en raison de sa plus grande complexité, la TEMP est davantage sujette aux artefacts d image liés aussi bien au patient (mouvements et artefacts d atténuation), qu à des facteurs techniques, des erreurs du centre de rotation ou des artefacts de traitement [7]. Pour toutes ces raisons, il était nécessaire de mener des études démontrant l utilité diagnostique et pronostique de la TEMP [8-11]. Au départ, la plupart des travaux d imagerie de la perfusion myocardique utilisaient comme radiopharmaceutique le Thallium 201 ( 201 Tl). Actuellement, la plupart utilisent des composés marqués au technétium ( 99m Tc) qui, étant donné l énergie d émission plus élevée et la meilleure dosimétrie de ce dernier, fournissent des images plus claires et, dans certaines circonstances, une plus grande exactitude diagnostique que le 201 Tl [12]. L utilisation de ces traceurs marqués au 99m Tc permet d acquérir des images avec une haute densité de comptage, ce qui rend possible de synchroniser la TEMP à l ECG (études "gated"). Cela ajoute aux informations sur la perfusion myocardique des informations sur la fonction du ventricule gauche, ainsi que sur le mouvement et l épaississement de sa paroi. Toutefois, il est reconnu que le principal inconvénient de la TEMP de perfusion myocardique est sa spécificité [13,14] qui, dans la plupart des cas, est trop faible pour être acceptable [15]. On sait aujourd hui que la variable isolée qui influe le plus sur la spécificité de l image de la perfusion par TEMP est l atténuation photonique [16]. Il est généralement accepté que les tissus mous produisent une atténuation photonique non homogène qui dégrade la qualité de l image de perfusion par TEMP, simulant de véritables défauts de perfusion qui réduisent la spécificité de l examen. Ces artéfacts sont fréquemment reconnus, ou du moins suspectés, du fait de leur localisation typique [17]. Les "modèles typiques" de réduction d activité ne sont pas des solutions parfaites pour distinguer ces artéfacts d atténuation, puisque leur reconnaissance clinique et leur différenciation des véritables défauts de perfusion sont bien souvent aléatoires. Même lorsque l on tient compte des informations relatives au sexe et au contexte corporel pour "compenser mentalement" l atténuation photonique, la spécificité reste trop faible pour être acceptable [18]. Diverses techniques ont été utilisées pour minimiser l impact de l atténuation : l immobilisation du sein, l acquisition de l image en décubitus ventral et l acquisition synchronisée à l électrocardiogramme ou "gated- SPECT". Quoi qu il en soit, chacune de ces techniques est une solution indirecte et présente des limites [19]. Par exemple, une cinétique de paroi normale dans l étude "gated" différencie une zone fibrotique d un artefact par atténuation, puisque l infarctus produit des défauts fixes (comme la réduction du mouvement et l épaississement de la paroi du ventricule), alors que dans les défauts fixes produits par atténuation, il n existe aucune altération de la cinétique de la paroi. En revanche, certains défauts produits par atténuation ne sont pas fixes, mais "réversibles", ce qui peut simuler une ischémie. Dans ce type de cas, l étude "gated" est incapable de différencier un artéfact d une véritable ischémie, étant donné que dans les deux cas le mouvement et l épaississement de la paroi peuvent être normaux. Un autre type de situation conflictuelle peut se produire : la superposition d un artéfact d atténuation typique et d un véritable défaut de perfusion, fixe ou réversible. Rien ne garantit que les artéfacts d atténuation soient identiques d une session d imagerie à une autre. De fait, il arrive assez fréquemment que ces artéfacts présentent une variabilité significative entre l effort et le repos [20]. L application de cartes d atténuation uniformes n est pas une solution à ce problème, puisque, rappelons-le, l atténuation photonique n est pas homogène. La solution la plus satisfaisante pour corriger l atténuation photonique est de créer des cartes d atténuation à partir des images de transmission. L image tomographique de transmission est générée à partir d une source externe de photons (une source fermée de 153 Gd, de 57 Co, de 133 Ba, de 99m Tc ou de 241 Am, ou bien un tube de rayons X) et d un détecteur du côté opposé, qui compte le nombre de photons de transmission au travers du corps. À partir de ces données sont générées les cartes de densité (atténuation) du thorax, grâce auxquelles on corrige l atténuation photonique des données d émission (provenant du 99m Tc). 774 Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2006 - vol.30 - n 11
Depuis l apparition de la TEMP, on utilise la rétroprojection filtrée pour reconstruire l image, comme nous l avons déjà mentionné précédemment. En clinique, les algorithmes de reconstruction itérative n ont jamais été utilisés de façon systématique parce qu ils supposent des exigences de temps et de mémoire informatique beaucoup plus élevées que la rétroprojection filtrée. Étant donné les limites des ordinateurs des années 80, la seule option viable dans la routine clinique était la rétroprojection filtrée. Dans les études à faible comptage, elle est peu adéquate parce qu elle ne parvient pas à incorporer la compensation de l atténuation de façon exacte. La reconstruction itérative est nettement supérieure à la rétroprojection filtrée dans l exactitude de la reconstruction des données de projection, qu elles soient d émission ou de transmission. Ces dernières années, grâce à l amélioration des algorithmes itératifs dans la modélisation de l atténuation photonique et aux progrès réalisés dans les stations de travail (grande vitesse de calcul et de traitement), l utilisation clinique de la reconstruction itérative s est généralisée. L utilisation de 153 Gd, de 57 Co, de 133 Ba, de 99m Tc ou de 241 Am comme source externe de photons peut diminuer la densité de comptage sur l image tomographique de transmission, ce qui génère des cartes d atténuation de piètre qualité, même lorsque l on utilise des algorithmes de reconstruction itérative. De plus, avec certains de ces isotopes (comme le 133 Ba), l effet de diffusion est considérable dans les énergies d émission couramment utilisées. La solution à ce problème réside dans l utilisation d un tube à rayons X comme source externe de photons, ce qui procure une densité de comptage de transmission adéquate, produisant par conséquent des cartes d atténuation d excellente qualité chez tous les patients, quel que soit leur contexte constitutionnel. En outre, le débit élevé de photons domine le taux de comptage provenant du 99m Tc ou du 201 Tl dans la fenêtre des rayons X et, par conséquent, le "crossover" ou l effet "scatter" mentionné plus haut est insignifiant. Divers travaux utilisent comme source externe de photons les différents isotopes mentionnés précédemment [21, 22-26] ; ils ont démontré la meilleure spécificité et la meilleure exactitude des images corrigées par rapport aux images non corrigées. Peu de publications ont fait état d études de sensibilité et de spécificité lorsque les rayons X sont utilisés (gamma-caméra hybride) en routine [27, 28]. De plus, si l on tient compte du fait que l étude "gated" et la correction d atténuation ont le même objectif, la question est de savoir si ces deux techniques sont redondantes ou si l une d elles est supérieure à l autre. Certains travaux vont dans ce sens et défendent le caractère complémentaire des deux techniques [26], mais aucun n a été réalisé avec une source de rayons X. Les gamma-caméras hybrides, qui associent le système tomographique d émission et celui des rayons X (scanner), représentent la solution clinique la plus efficace [29]. Elles enregistrent consécutivement l étude de l émission et de la transmission sans que le patient ne bouge. L unité de scanner acquiert l image dans un laps de temps suffisamment rapide pour minimiser les erreurs d acquisition potentielles entre les deux examens. Il est généralement accepté qu après la correction d atténuation, la paroi antérieure tout comme l apex montrent, dans de nombreux cas, une diminution de l activité par rapport aux autres territoires myocardiques [29]. Si ceci n est pas pris en compte, il existe un risque d interpréter par erreur cette hypoactivité comme un défaut de perfusion de ces territoires. Ainsi, certains travaux, en utilisant la correction d atténuation, apportent des résultats prometteurs [30, 31, 32], alors que d autres y trouvent un bénéfice minime ou nul [33, 34, 35]. Dans notre centre, nous avons étudié à ce jour 60 patients (45 hommes) présentant une cardiopathie ischémique connue ou suspectée. Tous ont subi une TEMP de perfusion myocardique à l effort ou "gated" au repos avec correction d atténuation par rayons X (gamma-caméra hybride VG-millenium de GE) en protocole d une journée et avec de la tétrofosmine- 99m Tc. Tous ont également été soumis à une coronarographie à trois mois de distance de l étude gammagraphique, sans avoir présenté aucune variation clinique dans ce laps de temps. Ont été évaluées chez chaque patient trois types d images : effort/repos sans correction d atténuation (NC) reconstruite par méthode itérative ; effort/repos sans correction d atténuation évaluée conjointement à l étude gated (NCG) ; effort/repos avec correction d atténuation (CA), utilisant également la méthode itérative et incluant la correction de l effet de diffusion. Quatorze patients ne présentaient pas de lésion significative des artères coronaires (LNS) et chez les 46 patients restants ont été détectées 29 lésions sur l interventriculaire antérieure (IVA), 26 sur la coronaire droite (CD) et 18 sur la circonflexe (CX). La sensibilité ne varie pas entre les trois types d images sur aucune des trois artères. La spécificité et, dans une moindre mesure, l exactitude, sont notablement meilleures sur les images CA que sur les images NC et NCG pour la CD et les LNS. Sur l IVA et la CX, il n existe pas de différence significative dans l exactitude diagnostique entre les 3 types d images. Sur la CD, l exactitude diagnostique est significativement meilleure sur les images CA que sur les NC (McNemar : p<0,001) et sur les images CA que sur les NCG (McNemar : p<0,01) (Figure 1). La même chose se produit pour le groupe de LNS (CA contre NC : MacNemar avec p<0,02 et CA contre NCG : McNemar avec p<0,05), les images CA s avérant toujours supérieures. Ces résultats préliminaires suggèrent que la correction d atténuation aux rayons X avec gamma-caméra hybride améliore de façon significative non seulement la capacité d écarter l existence de maladies coronariennes, mais aussi l exactitude diagnostique dans le territoire de la CD, par rapport aux images non corrigées et aux images non corrigées évaluées con- Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2006 - vol.30 - n 11 775
Application de la fusion des images TEMP-TDM en cardiologie jointement à l étude "gated", ce qui améliore sensiblement la spécificité de la technique. Pour finir, nous ferons un bref commentaire sur les derniers progrès techniques réalisés. Les systèmes de scanner multicoupes actuels, avec multidétecteurs et des temps de rotation rapides, peuvent acquérir des images de tout le cœur en moins de 20 secondes. Des études suggèrent que la génération actuelle des systèmes de scanner 16 coupes peuvent être utilisés pour visualiser et quantifier les vaisseaux coronariens et les sténoses sur des vaisseaux mesurant jusqu à 1,5 mm de diamètre. L association des images à haute résolution anatomique de ces scanners multicoupe aux images physiologiques d émission, obtenues en une seule session, mettrait en corrélation directe la localisation et le diamètre d une sténose coronarienne avec la distribution du traceur et le flux sanguin. Ainsi, les données de perfusion reflèteraient les répercussions fonctionnelles de la sténose. Le clinicien pourrait ainsi disposer d informations de cause à effet qui amélioreraient le contenu et l exactitude diagnostique d une image non-invasive et par là même la prise en charge clinique des patients souffrant de maladies coronariennes [29]. A. B. - Figure 1 - Patient présentant une lésion de l artère descendante antérieure. Sur les images non corrigées (A) on détecte une ischémie antéroseptale, apicale et inférieure. Sur les images avec correction d atténuation (B), l ischémie inférieure a disparu. Patient with a left anterior descending artery stenosis. The uncorrected images (A) demonstrate anteroseptal, apical and inferior ischemia. On the attenuation corrected images (B), the inferior ischemia has disappeared. 776 Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2006 - vol.30 - n 11
SPECT-CT image fusion in cardiology The main limitation of myocardial perfusion studies in SPECT is their limited specificity. Its most significant variable is the inhomogeneous photon attenuation by soft tissues. Several techniques have been utilized to minimize attenuation : geometrical modelization, breast immobilization, acquisition with the patient in prone position or EKG-gated SPECT. All these solutions are undirect and have their own limitations. The application of uniform attenuation maps is not a solution, since attenuation is not homogeneous. The most appropriate is to create attenuation maps from transmission images generated by an external source of photons and a detector placed at the opposite to count the number of transmitted photons. Thus density (attenuation) maps of the thorax can be generated. The use of radioisotopes as an external source can decrease the counting density on the transmission tomographic image and a scattering effect can sometimes be observed at the common energies. The most appropriate solution is to use a X-ray tube that provides a high density of photons ; it overflows the gamma rays emitted by 99m Tc or 201 Tl in the X-ray energy window. Hybrid gamma cameras, which include simultaneously a SPECT and a CT, are the most clinically efficient systems. Attenuation and scatter correction / Myocardial perfusion imaging / SPECT/CT Coronary artery disease / Gated SPECT RÉFÉRENCES 1. Travin MI and Cheng DW. Myocardial Perfusion Imaging as a Prognostic Tool. In: Leonard M Freeman, ed. Nuclear Medicine Annual. Philadelphia: Lippincott Williams&Wilkins, 2000. 2. Gibson RS, Watson DD, Craddock GB et al. Prediction of Cardiac Events after Uncomplicated Myocardial Infarction: A Prospective Study Comparing Predischarge Exercise Thallium-201 Scintigraphy and Coronary Angiography. Circulation 1983;68:321-36. 3 Kaul S, Lilly DR, Gascho JA et al. Prognostic Utility of the Exercise Thallium-201 Test in Ambulatory Patients with Chest Pain: Comparison with Cardiac Catheterization. Circulation 1988;77:745-58. 4. Iskandrian AS, Chae SC, Heo J et al. Independent and Incremental Prognostic Value of Exercise Single- Photon Emission Computed Tomographic (SPECT) Thallium Imaging in Coronary Artery Disease. J Am Coll Cardiol 1993;22:665-670. 5. Brown KA. Prognostic Value of Thallium-201 Myocardial Perfusion Imaging. Circulation 1991;83:363-81. 6. Brown KA. Prognostic Value of Myocardial Perfusion Imaging: State of the Art and New Developments. J Nucl Cardiol 1996;3:516-37. 7. DePuey EG. Artifacts in SPECT Myocardial Perfusion Imaging. In: DePuey EG, Berman DS, Garcia EV, eds. Cardiac SPECT Imaging. New York: Raven Press, 1995: 169-200. 8. Christian TF, Miller TD, Bailey KR et al. Noninvasive Identification of Severe Coronary Artery Disease Using Exercise Tomographic Thallium-201 Imaging. Am J Cardiol 1992;70:14-20. Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2006 - vol.30 - n 11 777
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