Fiche de révision : Radioisotopes et gamma-caméras

📋 Plan du Cours

1. Modalités et complémentarité des imageries
2. Principe de l’imagerie fonctionnelle
3. Choix et propriétés des radiotraceurs
4. Émetteurs radioisotopiques courants
5. Techniques d’imagerie nucléaire
6. Gamma-caméra et collimateurs
7. Scintillateur, guide lumineux, photomultiplicateurs et sélection des photons
8. Résolutions et efficacité de détection
9. Linéarité, uniformité, comptage et résolutions temporelle et spatiale
10. Gamma-caméras à semi-conducteur
11. Modes d’acquisition en médecine nucléaire
12. Principes de l’imagerie TEP
13. Imagerie TEP multimodale
14. Évolution des imageurs TEP numériques
15. Événements et performances en TEP

📅 Repères chronologiques

1. 1948Le rayonnement gamma est compté point par point à l’aide d’un compteur Geiger-Müller, un détecteur gazeux.
2. 1951La scintigraphie à balayage utilise des détecteurs à scintillation et des mesures spectrométriques point par point grâce à un asservissement mécanique.
3. 1958La gamma-caméra d’Anger repose sur cinq éléments principaux par tête de détection : un collimateur, un cristal scintillateur, un guide de lumière, des tubes photomultiplicateurs et une électronique.

📖 1. Modalités et complémentarité des imageries

🔑 Notions clés & Définitions

• Imagerie moléculaire : L’imagerie moléculaire permet de visualiser et quantifier des processus biologiques à l’échelle moléculaire ou cellulaire, comme l’expression de récepteurs, l’activité enzymatique et le métabolisme, et d’étudier des mécanismes biologiques ou des cibles thérapeutiques potentielles.

★ À maîtriser

📌 L’imagerie anatomique renseigne sur la structure des organes et de leur environnement, avec une résolution spatiale souvent millimétrique ou inframillimétrique.

📌 L’imagerie fonctionnelle renseigne sur le fonctionnement des organes et tissus, leurs propriétés physiologiques et leur microstructure, notamment le métabolisme, l’oxygénation et la perfusion ; sa résolution spatiale est variable et souvent moins bonne que celle de l’imagerie anatomique.

• L’imagerie fonctionnelle peut révéler des modifications physiologiques ou biochimiques qui précèdent les altérations anatomiques, même lorsque l’image morphologique est normale.

Compléments

• Les exemples d’imagerie anatomique comprennent :

  • la radiographie conventionnelle
  • l’IRM anatomique T1 ou T2
  • le scanner
  • l’échographie conventionnelle

• Les exemples d’imagerie fonctionnelle comprennent :

  • l’IRM de perfusion
  • l’IRM de diffusion
  • le scanner de perfusion
  • la TEP-FDG

• Les exemples d’imagerie moléculaire comprennent :

  • la TEMP
  • la TEP-FDG
  • la TEP avec d’autres radiopharmaceutiques
  • l’imagerie de bioluminescence

• L’imagerie anatomique reste importante pour localiser les anomalies fonctionnelles, car l’imagerie fonctionnelle manque de repères anatomiques.

💡 Astuce mémo

L’anatomique montre la structure ; la fonctionnelle, le fonctionnement ; la moléculaire, les processus biologiques.

📖 2. Principe de l’imagerie fonctionnelle

★ À maîtriser

• 🔄 La réalisation d’une imagerie fonctionnelle suit ces étapes :
  1. Identifier le phénomène ou la molécule d’intérêt
  2. Choisir un traceur caractéristique
  3. Marquer le vecteur biologique par un marqueur radioactif
  4. Administrer le radiotraceur au patient
  5. Acquérir les images
  6. Reconstruire les images en mode tomographique
  7. Visualiser ou post-traiter les images

Compléments

• La reconstruction tomographique transforme idéalement les données de projection acquises en une image 3D représentant la distribution volumique de l’activité radioactive en Bq/mL.

• Pour imager le métabolisme du glucose, le phénomène d’intérêt est la consommation du glucose, le traceur est son analogue FDG (fluorodésoxyglucose) et le marqueur radioactif est le 18F.

• Le FDG est phosphorylé en FDG-6P, ce qui crée une impasse métabolique et entraîne son accumulation dans les cellules.

• Les propriétés biologiques accessibles comprennent (Heiss, 2009) :

  • l’activité métabolique
  • la prolifération cellulaire
  • la perfusion
  • l’hypoxie

• Les associations phénomène–radiotraceur citées sont :

  • prolifération : FLT (fluorothymidine)
  • métabolisme glucidique : 18F-FDG
  • hypoxie : 18F-MISO, FAZA et HX4
  • apoptose : 18F-ML10
  • métabolisme lipidique : 11C-acétate
  • métabolisme des acides aminés : 11C-MET et FET
  • métabolisme membranaire : 11C-Choline
  • neurotransmetteurs : 18F-DOPA
  • antigènes : 68Ga-PSMA

💡 Astuce mémo

Intérêt → traceur → marquage → administration → acquisition → reconstruction → visualisation.

📖 3. Choix et propriétés des radiotraceurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Radiotraceur : Combinaison d’un vecteur biologique et d’un marqueur radioactif.
• Période physique : Durée au cours de laquelle l’activité radioactive décroît de moitié par désintégration.
• Période biologique : Durée à l’issue de laquelle la quantité d’isotope présente dans l’organisme est divisée par deux sous l’effet de l’élimination biologique.
• Période effective : Durée nécessaire pour que l’activité d’un radionucléide présent dans l’organisme soit divisée par deux sous l’effet combiné de la décroissance radioactive et de l’élimination biologique.

★ À maîtriser

• Le vecteur biologique est une molécule d’intérêt qui se fixe sur une cible spécifique, tandis que le marqueur radioactif émet des rayonnements ionisants.

📌 Pour l’imagerie diagnostique, le radioisotope doit émettre un rayonnement détectable, d’énergie assez élevée pour limiter l’atténuation dans le patient mais assez faible pour faciliter la détection, sans émissions radioactives nocives inutiles telles que des particules chargées.

📌 En médecine nucléaire diagnostique, l’objectif est de visualiser et quantifier une fonction biologique à l’aide de photons γ en TEMP ou de photons d’annihilation en TEP ; en radiothérapie interne vectorisée, l’objectif est de détruire sélectivement les cellules ciblées à l’aide de particules β⁻ ou α.

Compléments

📌 Pour préserver la spécificité de localisation, le radiotraceur qui n’a pas rencontré sa cible doit être éliminé rapidement.

📌 Pour l’imagerie diagnostique, la période physique du radioisotope doit être assez longue pour suivre le processus physiologique et assez courte pour éviter une irradiation inutile du patient, en tenant compte des contraintes de production.

• Les radionucléides diagnostiques cités sont 99mTc, 123I, 18F et 68Ga ; les radionucléides thérapeutiques cités sont 177Lu, 225Ac et 131I.

• Les exemples de radiopharmaceutiques diagnostiques sont 18F-FDG et 68Ga-PSMA ; les exemples thérapeutiques sont 177Lu-PSMA et 177Lu-DOTATATE.

• Les rayonnements utilisés en médecine nucléaire diagnostique sont des photons gamma issus de la désexcitation d’un noyau instable ou des photons issus de l’annihilation de positons avec les électrons du milieu.

• Les énergies des rayonnements diagnostiques considérées se situent entre 70 et 511 keV, et les périodes physiques des radioisotopes vont de 2 minutes à plusieurs heures.

• La désexcitation gamma produit un spectre de raies, tandis qu’une désintégration β+ suivie d’une annihilation produit deux photons gamma de 511 keV.

📐 Formule - Sous l’hypothèse d’une élimination biologique exponentielle, les périodes vérifient $\frac{1}{T_{\mathrm{eff}}}=\frac{1}{T_p}+\frac{1}{T_b}$.

• Les types de vecteurs biologiques cités sont : une substance endogène marquée, comme l’eau marquée, un analogue d’une substance endogène, comme un analogue du glucose, une molécule ayant une affinité pour un récepteur, comme un récepteur membranaire ou un système de neurotransmission

💡 Astuce mémo

Le vecteur cible le phénomène biologique ; le marqueur radioactif rend sa distribution détectable.

📖 4. Émetteurs radioisotopiques courants

🔑 Notions clés & Définitions

• Métastabilité : État dans lequel un noyau atomique reste bloqué pendant un certain temps dans un état excité, à un niveau d’énergie supérieur à son état fondamental.

★ À maîtriser

• Le technétium 99mTc émet principalement à 140 keV, a une période physique de 6 heures et sert aux scintigraphies osseuses et cardiaques.

• Le 99mTc est utilisé dans 90 % des examens par scintigraphie.

Compléments

• L’iode 123I émet principalement à 159 keV, a une période physique de 13 heures et sert à la scintigraphie thyroïdienne.

• Le thallium 201Tl émet principalement à 71, 135 et 167 keV, a une période physique de 73 heures et sert à la scintigraphie cardiaque.

• L’indium 111In émet principalement à 171 et 245 keV, a une période physique de 67 heures et sert à la scintigraphie aux leucocytes marqués.

• Le 99mTc est produit sur site à l’aide de générateurs appelés « vaches à technétium » et obtenu par élution.

• Le 18F est obtenu grâce à des cyclotrons médicaux par bombardement d’une cible d’oxygène 18 par des protons selon la réaction 18O(p,n)18F.

📖 5. Techniques d’imagerie nucléaire

★ À maîtriser

📌 Les émetteurs de photons gamma permettent la scintigraphie planaire, qui produit une image 2D, et l’imagerie TEMP ou SPECT, qui produit une image 3D.

📌 Les émetteurs bêta + sont imagés par tomographie par émission de positons, appelée TEP en français et PET en anglais.

Compléments

• La scintigraphie planaire et l’imagerie TEMP ou SPECT utilisent une gamma-caméra comme détecteur.

💡 Astuce mémo

Gamma : scintigraphie/TEMP ; bêta + : TEP

📖 6. Gamma-caméra et collimateurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Collimateur : Sélectionne les photons incidents selon leur direction avant qu’ils n’atteignent le détecteur, afin d’établir une correspondance entre le lieu d’émission et le lieu de détection.

★ À maîtriser

📌 Dans un collimateur à trous parallèles, la résolution spatiale se dégrade avec la distance, tandis que l’efficacité géométrique reste constante, autour de 10⁻⁴, quelle que soit la distance.

📌 Des canaux de collimateur plus longs améliorent la résolution spatiale mais diminuent l’efficacité géométrique, tandis que des canaux plus courts dégradent la résolution mais augmentent l’efficacité géométrique.

Compléments

• Un collimateur est constitué d’un matériau très absorbant, comme le plomb ou le tungstène, et peut comporter des trous hexagonaux, carrés ou circulaires.

• Les principales géométries de collimation comprennent :

  • les trous parallèles
  • la géométrie en éventail
  • le sténopé

• Dans les collimateurs à trous parallèles, des septas plus longs ralentissent la dégradation de la résolution spatiale avec la distance, et l’exploration concerne des organes de la taille du cristal sans facteur de grandissement.

• Les collimateurs à trous parallèles sont classés notamment en LEUHR, LEHR et LEGP ; LE désigne une énergie maximale d’environ 140 keV, ME d’environ 250 keV et HE d’environ 364 keV.

📌 Le collimateur en éventail associe une collimation convergente dans une direction et une collimation parallèle dans l’autre, ce qui agrandit l’objet et améliore la résolution spatiale dans une direction, mais réduit le champ de vue dans cette direction.

📌 Le collimateur conique converge vers un point unique dans les deux directions et agrandit les objets dans les deux directions, améliorant la résolution spatiale par rapport aux collimateurs parallèles.

• Les autres types de collimateurs comprennent les collimateurs sténopés, utilisés notamment en imagerie thyroïdienne et pédiatrique, les multi-pinholes, ainsi que les collimateurs slit-slat et codés, encore en recherche.

• La taille des trous du collimateur joue également sur le compromis entre résolution spatiale et efficacité géométrique.

• Une épaisseur de septa plus élevée est utilisée pour les rayonnements de haute énergie afin de limiter la pénétration septale.

💡 Astuce mémo

1948 : compter point par point → 1951 : balayer → 1958 : caméra d’Anger

📖 7. Scintillateur, guide lumineux, photomultiplicateurs et sélection des photons

🔑 Notions clés & Définitions

• Cristal scintillateur : Convertit les photons gamma d’énergie élevée en plusieurs photons de plus faible énergie, dans le domaine de la lumière visible, auxquels les tubes photomultiplicateurs sont sensibles.

★ À maîtriser

• Un cristal scintillateur idéal présente : un rendement lumineux élevé, une densité et un numéro atomique élevés, une constante de décroissance faible, une transparence à sa propre lumière, une réponse spectrale adaptée à la photocathode des tubes photomultiplicateurs

• Le guide de lumière fait interface entre le cristal scintillateur et les tubes photomultiplicateurs, en assurant une transition progressive des indices de réfraction pour éviter la réflexion totale ; l’indice du cristal NaI(Tl) est N = 1,85 et celui de l’air N = 1.

• Les tubes photomultiplicateurs sont organisés en réseau et transforment les signaux lumineux incidents en signaux électriques.

• Dans un tube photomultiplicateur, les photons incidents libèrent des électrons à la photocathode par effet photoélectrique ; accélérés par un champ électrique, ces électrons frappent une dynode et en émettent davantage, puis la multiplication se répète jusqu’à produire une impulsion de courant proportionnelle à l’énergie cédée par les photons gamma dans le scintillateur.

📌 Dans la logique de détection d’Anger, l’énergie du photon incident est déterminée par la somme des signaux des tubes photomultiplicateurs, tandis que la position de l’interaction est déterminée par le calcul barycentrique de ces signaux.

• La fenêtre de spectrométrie conserve les photons détectés à une énergie proche de leur énergie d’émission et rejette ceux détectés à une énergie sensiblement inférieure, afin de ne garder que les photons primaires n’ayant pas diffusé dans le patient ni dans le détecteur.

Compléments

• Le cristal scintillateur utilisé dans la plupart des cas est un cristal monobloc d’iodure de sodium dopé au thallium, NaI(Tl), qui est un scintillateur inorganique.

• Dans le phénomène de scintillation, le gamma interagit principalement par effet photoélectrique, ou par effet Compton, transfère son énergie aux électrons du cristal et provoque des excitations et ionisations secondaires, puis des paires électron-trou ; la désexcitation et la recombinaison des porteurs, notamment via les centres luminescents, émettent des photons lumineux.

• Dans le cristal, la bande de valence assure la cohésion du solide, tandis que la bande de conduction contient des électrons délocalisés participant à la conduction électronique.

📌 Dans un cristal pur, la scintillation est peu probable et l’émission se situe plutôt dans l’ultraviolet ; le dopage au thallium, qui joue le rôle d’activateur, permet la scintillation recherchée.

• Pour l’imagerie du 99mTc, les épaisseurs de cristal scintillateur à retenir sont de 6,25 mm (1/4 de pouce) ou de 9,37 mm (3/8 de pouce).

• Le guide de lumière est placé entre le cristal scintillateur et les tubes photomultiplicateurs ; il est traditionnellement en verre ou en matériau transparent, comme le Plexiglas, et peut être absent dans certaines conceptions modernes.

• Le guide de lumière partage la lumière de scintillation entre les tubes photomultiplicateurs afin d’optimiser la localisation barycentrique du point d’interaction.

• Un tube photomultiplicateur comprend un tube à vide en verre contenant une photocathode, plusieurs dynodes et une anode collectrice.

• Le rendement quantique de conversion d’un tube photomultiplicateur, rapport entre le nombre de charges électriques émises et le nombre de photons incidents, est d’environ 10 à 30 %.

📖 8. Résolutions et efficacité de détection

🔑 Notions clés & Définitions

• Résolution en énergie : Capacité de la gamma-caméra à sélectionner précisément les photons gamma selon leur énergie ; elle se mesure par la largeur à mi-hauteur ΔE de sa réponse en énergie pour l’énergie d’émission E du radioisotope utilisé.
• Efficacité de détection : Rapport entre le nombre de photons primaires détectés dans la fenêtre spectrométrique et le nombre total de photons émis par la source radioactive sur 4π stéradians.

★ À maîtriser

• La résolution spatiale est la distance minimale entre deux sources ponctuelles pour qu’elles soient vues séparément ; elle se mesure par la largeur à mi-hauteur de la fonction de dispersion ponctuelle ou linéaire obtenue avec une source ponctuelle ou linéaire.

📌 La résolution spatiale résulte de la combinaison de la résolution intrinsèque du module de détection, Ri, et de la résolution géométrique du collimateur, Rc ; les ordres de grandeur indiqués sont Ri ≈ 3 mm et Rc ≈ 7 à 13 mm à 10 cm.

Compléments

• La résolution spatiale s’améliore notamment lorsque : les canaux du collimateur ont un faible diamètre, la hauteur des septa est élevée, la localisation barycentrique est efficace, la réponse des tubes photomultiplicateurs est homogène, la pénétration septale est limitée, la diffusion dans le patient est moindre, l’épaisseur du cristal est faible

• La résolution spatiale du collimateur est le facteur majoritairement limitant, et l’améliorer implique un compromis avec la probabilité d’interaction dans le détecteur, donc avec l’efficacité de détection, surtout pour les photons de haute énergie.

• La résolution en énergie s’améliore lorsque la production de photons scintillants et le nombre de photoélectrons issus des tubes photomultiplicateurs augmentent ; elle dépend de l’énergie du radioisotope selon une dépendance en 1/√E.

• La résolution en énergie est d’environ 10 % à 140 keV pour les gamma-caméras traditionnelles de type Anger.

📌 La sensibilité S de la gamma-caméra dépend de l’efficacité du module de détection Sdet et de l’efficacité géométrique du collimateur Scol ; Sdet correspond au pouvoir d’arrêt du cristal NaI(Tl), tandis que Scol est liée aux caractéristiques du collimateur.

• L’ordre de grandeur de l’efficacité de détection indiqué est 1·10⁻⁴ à 140,5 keV.

💡 Astuce mémo

Résolution spatiale : séparer des positions ; résolution en énergie : distinguer des énergies.

📖 9. Linéarité, uniformité, comptage et résolutions temporelle et spatiale

🔑 Notions clés & Définitions

• Linéarité géométrique : Capacité de la gamma-caméra à restituer une image sans distorsion géométrique ; elle s’évalue en mesurant les écarts entre les positions détectées et les positions attendues de sources linéaires ou ponctuelles de géométrie connue.
• Uniformité de réponse : Aptitude de la gamma-caméra à fournir une image homogène lorsqu’elle est soumise à un flux homogène de photons ; elle comprend l’uniformité intégrale et l’uniformité différentielle.
• Taux de comptage : Capacité à détecter un grand nombre de photons par seconde tout en conservant la proportionnalité entre le nombre de photons émis et celui des photons détectés.

• Fonction de transfert de modulation : Capacité du détecteur à retranscrire les différentes fréquences spatiales et à quantifier la dégradation du contraste du système.
• Uniformité différentielle : Mesure, en pourcentage, de la variation maximale du nombre de coups par pixel dans de petites régions d’une image obtenue sous flux homogène de photons.
• Temps mort extensible : Prolongé à partir de l’arrivée de chaque nouvel événement qui survient pendant le temps mort.

★ À maîtriser

• Lors d’un phénomène d’empilement (pile-up), deux événements trop rapprochés peuvent produire des impulsions superposées, fausser l’énergie mesurée et entraîner le rejet de l’événement hors de la fenêtre énergétique. - L. Imbert, 2012

Compléments

• La linéarité géométrique s’améliore notamment avec : une réponse optique homogène du cristal, une collection homogène de la lumière par les tubes photomultiplicateurs, une réponse homogène des photocathodes, un nombre élevé de tubes photomultiplicateurs aussi compacts que possible, une correction de linéarité efficace

• L’uniformité intégrale est calculée à partir des nombres de coups par pixel dans une image obtenue sous flux homogène, où vmax et vmin désignent respectivement les valeurs maximale et minimale.

• L’uniformité s’améliore notamment avec : l’homogénéité de réponse du cristal scintillateur, l’homogénéité de réponse des guides de lumière, l’homogénéité de la collection lumineuse par les tubes photomultiplicateurs, une correction d’homogénéité en temps réel efficace

• Le taux de comptage se mesure par le taux maximum sans pertes ou par le taux de comptage avec un pourcentage donné de pertes par rapport au taux attendu.

• Le taux de comptage s’améliore lorsque : le temps mort est faible, la constante de décroissance du cristal est rapide, l’électronique est rapide

• Tous les photons qui arrivent sur le détecteur pendant le temps mort ne sont pas comptés.

• La fonction de transfert de modulation est la transformée de Fourier de la fonction de dispersion ponctuelle. - SFPM, Développement d'un système d'analyse automatisé des images tomodensitométriques incluant des métriques de qualité image adaptées aux reconstructions itératives, 2022

📖 10. Gamma-caméras à semi-conducteur

★ À maîtriser

• 🔄 Le fonctionnement d’un détecteur à conversion directe suit ces étapes :

  1. L’interaction crée des paires électron-trou dans le semi-conducteur.
  2. La haute tension déplace les électrons vers l’anode.
  3. La haute tension déplace les trous vers la cathode.

• Dans le CZT, l’énergie nécessaire à la création d’une paire électron-trou est d’environ 4,6 eV, ce qui multiplie par 20 le nombre de charges créées par l’interaction et améliore la résolution en énergie.

• Pour un détecteur monolithique pixellisé en CdZnTe, la résolution en énergie à 140 keV est inférieure à 3 % FWHM, la résolution spatiale intrinsèque est déterminée par la taille de l’électrode, d’environ un millimètre en XY, et la profondeur d’interaction peut être déterminée. - Verger et al., 2004

• Le mauvais transport des porteurs de charge dans le CZT entraîne une sous-estimation de l’énergie des photons incidents.

Compléments

• Dans un semi-conducteur, la diffusion limitée des charges sous haute tension améliore la résolution spatiale intrinsèque, et les propriétés d’atténuation sont bonnes.

• Les gamma-caméras CZT sont compactes, car elles ne nécessitent plus de tubes photomultiplicateurs.

• Le D-SPECT possède une tête de détection arquée composée de 9 blocs, des pixels de 2,5 mm et une résolution en énergie d’environ 5,5 % FWHM à 140 keV ; chacun des blocs peut tourner. - Erlandsson et al., 2009

• Le Discovery NM 530c possède une tête fixe de 19 blocs de détection, des pixels de 2,5 mm, une résolution en énergie d’environ 5,7 % FWHM à 140 keV et un collimateur multi-pinholes focalisé sur le ventricule gauche. - Garcia et al., 2008

• Le Discovery NM/CT 670 CZT comporte 130 modules de CZT de 39,36 × 39,36 × 7,25 mm³ par tête, un champ de vue utile de 39 × 51 cm² par tête et permet les acquisitions planaires, corps entier et tomographiques. - L. Imbert, Médecine nucléaire, 2018

• Le Veriton CT comporte 12 blocs de détection de 4 × 32 cm², chacun équipé de 8 modules de 39,36 × 39,36 × 5 mm³ ; les modules tournent pendant l’acquisition et aucun mode planaire n’est disponible. - L. Imbert, Médecine nucléaire, 2018

💡 Astuce mémo

Faible énergie de création des charges → davantage de charges → meilleure résolution en énergie.

📖 11. Modes d’acquisition en médecine nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Mode multi-isotopique : Injection au patient d’au moins deux radiopharmaceutiques différents, avec un risque de contamination croisée entre les fenêtres énergétiques.

★ À maîtriser

📌 En mode statique, l’information correspond au total comptabilisé pendant l’examen sans information temporelle ; en mode dynamique, une séquence d’images échantillonnée dans le temps permet d’établir des courbes activité-temps décrivant la fixation et l’élimination du radiopharmaceutique.

📌 En mode planaire, la tête reste fixe et l’image 2D correspond à une seule projection directement interprétée, sans localisation en profondeur ; en mode tomographique, des projections acquises sous différents angles permettent, après reconstruction, d’estimer la distribution 3D et la profondeur des sources.

Compléments

• Les applications dynamiques les plus courantes sont l’imagerie cardiaque dynamique et l’imagerie rénale dynamique.

• Une acquisition tomographique utilise typiquement 64 ou 128 angles de vue.

• Le mode multi-isotopique peut être utilisé lorsqu’il n’existe pas de radiotraceur connu présentant une forte spécificité pour l’organe cible.

• Dans l’exemple du bilan d’hyperparathyroïdie, le sestamibi-Tc99 se fixe dans la thyroïde et les parathyroïdes, tandis que l’iode 123, à 159 keV, se fixe dans la thyroïde. - Takeuchi et al., EJNMMI Physics, 2016

• La modalité SPECT-CT, introduite au début des années 2000, est utilisée en oncologie, endocrinologie, orthopédie, pédiatrie et cardiologie ; elle contribue à localiser les anomalies et à corriger l’atténuation. - Seo et al, Semin Nucl Med, 2008

💡 Astuce mémo

Planaire : une projection sans profondeur ; tomographique : plusieurs angles pour reconstruire la profondeur.

📖 12. Principes de l’imagerie TEP

🔑 Notions clés & Définitions

• TEP : Tomographie par émission de positons reposant sur la détection des photons gamma de 511 keV émis lors de l’annihilation d’un positon avec un électron du milieu.
• TEP temps de vol : Mesure avec précision le temps d’arrivée de deux événements simples formant une coïncidence afin de localiser l’annihilation le long de la ligne de réponse.
• Bloc détecteur TEP : Ensemble compact de plusieurs cristaux et de tubes photomultiplicateurs ; un circuit de positionnement analogue à celui d’une gamma-caméra détermine la position de l’événement dans le bloc.

★ À maîtriser

• Lors d’une désintégration β⁺, un proton se transforme en neutron avec émission d’un positon et d’un neutrino ; le positon possède un spectre continu et s’annihile avec un électron du milieu en fin de parcours, produisant deux photons de 511 keV émis à 180 ± 0,5° l’un de l’autre.

📌 Les systèmes TEP analogiques utilisent des cristaux scintillants couplés à des tubes photomultiplicateurs et remplacent la collimation physique par une collimation électronique fondée sur une fenêtre de coïncidences.

• Pour localiser une désintégration le long de la ligne de réponse avec une résolution de 1 mm, le système de détection devrait idéalement avoir une résolution temporelle de 6,7 ps.

• Les meilleures résolutions temporelles cliniques citées pour le TEP temps de vol sont d’environ 200 ps pour le Biograph Vision Quadra de Siemens et l’uMI Panorama GS PET/CT.

Compléments

• Les émetteurs de positons ¹¹C, ¹⁸F et ¹⁵O peuvent être produits en bombardant des cibles stables avec des particules chargées dans un accélérateur linéaire ou un cyclotron.

• Le ⁶⁸Ga peut être produit par un générateur de radio-isotopes.

• L’architecture standard d’un système TEP est une couronne composée d’une multitude de cristaux.

• Les détecteurs TEP utilisent des matériaux plus denses qu’en imagerie monophotonique pour arrêter les photons de 511 keV.

• La résolution temporelle imparfaite des événements simples limite la précision de localisation en TEP temps de vol.

📌 Même avec le TEP temps de vol, une reconstruction tomographique adaptée reste nécessaire.

💡 Astuce mémo

Désintégration β⁺ → annihilation → deux photons de 511 keV.

📖 13. Imagerie TEP multimodale

★ À maîtriser

• Le premier imageur hybride TEP/CT a été réalisé en 1998, et ce type d’imageur est aujourd’hui favorisé en routine clinique.

• La TEP/IRM améliore le contraste des tissus mous, est moins irradiante que la TEP/CT et permet des examens complémentaires pendant la même séance, tels que la perfusion, la diffusion et la spectroscopie.

• En TEP/IRM, les photomultiplicateurs (PMT) sont remplacés par des SiPM en raison de l’interaction du champ magnétique avec les détecteurs TEP; chaque SiPM associe des milliers de photodiodes à avalanche en mode Geiger, dont les signaux sont cumulés pour former le signal du détecteur.

Compléments

• La modalité TEP/IRM est installée en France depuis 2014, notamment à Lyon, à la Pitié, à Orsay, à Henri Mondor, à Strasbourg et à Rouen.

• Les SiPM permettent une amélioration importante de la résolution temporelle.

• Une étude indique que la TEP/IRM permet une prise en charge plus appropriée que la TEP/CT chez une fraction non négligeable de patients atteints de cancer, tandis que le coût par examen est environ 50 % plus élevé pour la TEP/IRM.

📖 14. Évolution des imageurs TEP numériques

★ À maîtriser

• En TEP/CT numérique, la diminution des temps morts augmente la sensibilité et améliore le rapport contraste-sur-bruit.

• La TEP/CT numérique améliore la résolution spatiale grâce à l’utilisation de cristaux plus petits et de SiPM. - Van Sluis et al., JNM, 2018

Compléments

• Dans une étude portant sur 100 patients, la qualité d’image était améliorée chez 54 patients et la stadification était modifiée chez 7 patients grâce à un meilleur recouvrement du contraste des petites lésions. - Suljic et al, Radiation Oncol, 2015

💡 Astuce mémo

Moins de temps morts → sensibilité accrue → meilleur rapport contraste-sur-bruit

📖 15. Événements et performances en TEP

🔑 Notions clés & Définitions

• Coïncidence vraie : Association de deux singles issus de la même annihilation et n’ayant pas diffusé dans le milieu atténuant.

• Coïncidence fortuite : Association de deux singles qui ne proviennent pas de la même annihilation et qui peuvent avoir diffusé ou non dans le milieu atténuant.
• Coïncidence diffusée : Association de deux singles issus de la même annihilation, dont l’un ou les deux ont subi une ou plusieurs diffusions dans le milieu atténuant.
• Ligne de réponse : Ligne qui joint les deux détecteurs ayant reçu un signal de coïncidence.
• NECR : Taux de coïncidences vraies qui, en l’absence du bruit dû aux événements diffusés et fortuits, fournirait un rapport signal sur bruit équivalent.

★ À maîtriser

📌 En TEP 2D, les coïncidences enregistrées relient deux cristaux du même anneau ou de deux anneaux adjacents, et des septa entre les anneaux arrêtent les photons d’annihilation à angle élevé; en TEP 3D, les septa sont absents, ce qui augmente la sensibilité et le nombre de LOR possibles, mais aussi les proportions de diffusés et de fortuits ainsi que le temps mort.

• La résolution spatiale en TEP comprend les composantes radiale, tangentielle et axiale.

• Trois facteurs limitent la résolution spatiale en TEP : le libre parcours moyen du positon, la non-colinéarité des deux photons émis et la largeur et l’épaisseur des cristaux détecteurs.

Compléments

• Une coïncidence multiple correspond à la détection de plus de deux photons dans la fenêtre de coïncidence.

• La fenêtre de coïncidence utilisée pour apparier les événements en TEP est inférieure à 6 ns.

📌 Les coïncidences en TEP peuvent être stockées en mode-list, en histogramme brut ou en sinogramme; le mode-list conserve les événements dans l’ordre d’arrivée, l’histogramme brut compte les événements par LOR et le sinogramme échantillonne l’espace des projections selon la position et l’orientation des LOR.

• Dans l’exemple historique de la TEP 3D, la proportion de diffusés passe de 10 à 20 % en 2D à 30 à 60 % en 3D, et la proportion de fortuits peut atteindre 60 % avec le BGO.

• La dispersion angulaire des deux photons autour de 180° est d’environ 0,5° FWHM, et le flou correspondant augmente avec le diamètre de la caméra; son amplitude en mm FWHM est donnée par 0,0044R. - Moses, Nucl Instrum Methods Phys Res A, 2011

• La résolution spatiale est meilleure au centre du champ de vue qu’en périphérie; la variation de LMH entre le centre et la périphérie est inférieure à 2 mm et dépend de la taille et de l’arrangement des détecteurs.

• Le NECR dépend de k, la fraction du champ de vue occupée par l’objet, et de n, égal à 1 ou 2 selon la méthode de correction des fortuits; il n’intègre pas les amplifications de bruit dues à la reconstruction, s’exprime en coups/s et permet de déterminer la plage d’activité optimale d’un TEP.

💡 Astuce mémo

En 2D, les septa arrêtent les photons obliques ; en 3D, leur absence augmente les LOR possibles et les événements diffusés

📊 Tableaux de synthèse

Diagnostic et thérapie en médecine nucléaire