Imagerie fonctionnelle nucléaire

1. Imagerie fonctionnelle nucléaire Philippe Ciuciu(CEA/SHFJ) ciuciu@shfj.cea.fr http://www.madic.org/people/ciuciu

2. 1. Traceur caractéristique d’une fonction métabolique ou physiologique marqueur 2. Marquage Principe général de l’imagerie fonctionnelle nucléaire Etude du devenir de la molécule marquée 3.

3. Tg iodée COLLOIDE pinocytose TPO APEX I ° Tg radicalisée LYSOSOME C E L L U L E Tg non iodée - I GOLGI Partie glucidique de Tg MIT T4 T3 RIBOSOME DIT Partie protéique de Tg BASE I T4 T3 SANG 1. Matière première indispensable à la fabrication des hormones thyroïdiennes: Iode Principe de l’imagerie nucléaire :exemple 2. Isotope : I-123 3. Etude du devenir de la molécule

4. Les pierres d’angle Détecteur Radiotraceur Traitement de l’information

5. couplage chimique isotope radioactif substance traceuse Radiotraceurs : contraintes chimiques • Administration intraveineuse : stabilité dans le sang • Délivrance au tissu cible (passage du plasma dans le tissu) • Absence de modification du phénomène physiologique à observer (concentration nanomolaire du radiotraceur) • « Fixation » stable à la cible et élimination du traceur n’ayant pas rencontré de cible (traceur spécifique) • Liaison forte entre traceur et marqueur • Exemples de traceurs :molécules, cellules, ligands, hormones, …

6. Types de radiotraceurs • Substance endogène marquée • - e.g., eau marquée • Analogue d’une substance endogène • e.g., analogue du glucose • Molécule présentant une affinité pour un récepteur • e.g., système de neurotransmission • Exemples de traceurs : molécules, cellules, ligands, hormones, anticorps, neurotransmetteurs, peptide

7. Radiotraceurs :contraintes physiques (1) couplage chimique marqueur = isotope radioactif • Rayonnement alpha • Rayonnement beta- : (électrons) • Rayonnement gamma • Le rayonnement émis par l’isotope doit être détectable • L’émission de particules d’intérêt ne doit pas être accompagnée d’émissions de radiations nocives

8. Radiotraceurs :contraintes physiques (2) couplage chimique a - marqueur = isotope radioactif • - particules alpha : très ionisantes, peu pénétrantes : parcours trop faible dans les tissus • énon adaptés à une détection externe • - électrons : ionisants, libre parcours moyen très faible dans les tissus • é utilisés uniquement en radiothérapie pour détruire des cellules • - photons gamma, résultant de : • désexcitation d’un noyau instable • annihilation de positons • é pénétrants donc adaptés à une détection externe 

9. A A Z Z A A Z-1 Z Producteurs de photons gamma () • - • Emetteurs de photons gamma • - Emetteurs de positons • X* X + g • X* Y + b++ n

10. A A Z Z 142,7 keV Tc g1 140,5 keV g3 g2 0 keV Tc Emetteurs de photons • Emission d’un photon lors du retour d’un noyau de l’état excité à l’état stable • X* X + g • - rayonnement pas directement ionisant • - spectre de raies : photonsgémis à des énergies bien déterminées • éradioisotope caractérisé par ses énergie d’émission 99m 43 99 43

11. A A Z Z-1 - +   Emetteurs de positons • Emission d’un positon par transformation d’un proton en un neutron et un positon, avec émission d’un neutrino • X* Y + b++ n • - spectre d’émission continu : énergie cinétique du positon comprise entre 0 et Emax • Annihilation du positon avec un électron du milieu • É2 photons g émis de 511 keV à ~ 180°±0.2°

12. visible g X UV IR mondes radio 1 101 105 102 10-3 3.108 3.1019 3.1016 3.1014 3.1011 3.1015 Radiotraceur : contraintes physiques (3) • Energie du rayonnement émis • - suffisamment élevée pour que les photons s’échappent de l’organisme • - pas trop élevée pour que les photons puissent être détectéséentre 70 et 511 keV 105

13. Radiotraceur : contraintes physiques (3) • Période physique T du radio-isotope • durée à l’issue de laquelle la quantité d’isotope est divisée par 2: • N = N0 exp(-lt) et T = ln2/l • suffisamment grande pour avoir le temps de suivre le processus d’intérêt • - suffisamment courte pour éviter les irradiations inutiles • entre 2 minutes et plusieurs heures

14. Tc-99m Isotope émetteur de photons  privilégié : le Tc-99m Technétium 99m (1960) : énergie = 140 keV T = 6 h TcO4- précurseur : molybdène 99 (Mo99) colonne d’alumine de 99MoO42- séparation des ions TcO4- et 99MoO42- fission de l’U235 molybdène 99 : Mo99 (T=67h)

15. Isotope émetteur de positons privilégié : le F18 Fluor 18 : T = 110 min Bombardement de noyaux stables par des protons ou des deutérons HO O HO F18 OH HO F18 FDG

16. Isotopes utilisés en imagerie nucléaire Isotope Energie Période Emetteurs de photons Technétium 99m 140 keV 6 heures Iode 123 159 keV 13 heures Thallium 201 Indium 111 71 171keV keV 73 heures 67 heures Emetteurs de positons+ Oxygène 15 511 keV 2 minutes Azote 13 511 keV 10 minutes Carbone 11 511 keV 20 minutes Fluor 18 511 keV 110 minutes Brome 76 511 keV 978 minutes

17. Avantages/inconvénients des radiotraceurs • Grande sensibilité : concentration nanomolaire ou picomolaire • Isotopes d’éléments naturellement présents dans l’organisme (C, O, H), d’où possibilité de marquage sans altérer les propriétés biochimiques de molécules • Radiations ionisantes • Aucun contrôle de l’activité du radiotraceur non fixé à sa cible : bruit de fond

18. Emetteurs de  Emetteurs de positons   - + +  Types d’émetteurs et techniques d’imagerie nucléaire • scintigraphie planaire • tomographie d’émission monophotonique : • SPECT ou TEMP • tomographie par émission de positons : • PET ou TEP

19. Les détecteurs Détecteur Radiotraceur Traitement de l’information

20. 1948 : Comptage des rayonnements gamma point par point Compteur Geiger-Müller I-131 Mesure de l’activité en chaque point : « image » de l’émission de photons 

21. spectromètre PM cristal collimateur asservissement mécanique imprimante 1951 : Scintigraphe à balayage é scintigraphie

22. * 1958 : Gamma caméra électronique d’acquisition PM guide de lumière cristal collimateur

23. * * Principe de la gamma caméra électronique d’acquisition PM guide de lumière cristal NaI(Tl) : 8-12 mm collimateur * NaI(Tl) : ~ 430 nm ~ 3 eV = lumière bleue-verte densité : 3,7 g/cm3 constante de décroissance : 230 ns => 2000 cps / PM rendement lumineux : 13%

24. anode dynodes photons lumineux émis par le cristal e- signal électrique photocathode - + Vc < V1 < ...... Va Tubes photomultiplicateurs *

25.  * * x x * 6 12 6 12 10 6 1 2 3 1 2 3 3 2 1 3 2 1 18+24+6 6+24+18 36+20+6 12+20+18 x0 e96 x 12 e 112 Circuit de positionnement tubes PM guide de lumière cristal

26. Caractéristiques des gamma caméras • Résolution spatiale • Résolution en énergie • Linéarité géométrique • Uniformité de la réponse • Taux de comptage • Dépendent de : • collimateur • nombre de tubes photomultiplicateurs • performances des tubes photomultiplicateurs • é nature et épaisseur du cristal • é électronique de traitement du signal

27. Évolution des performances des  caméras • Premières gamma caméras • - résolution spatiale intrinsèque ~13 mm • - résolution en énergie ~20% à 140 keV • - linéarité géométrique > 1 mm • - uniformité ~ 20% • - Taux de comptage max ~50000 coups/s • Taux de comptage avec 20% de perte • < 20 000 coups/s • Gamma caméras actuelles • - résolution spatiale intrinsèque < 4 mm • - résolution énergie ~ 10% à 140 keV • - linéarité géométrique ~ 0,1 mm • - uniformité ~ 3% • - taux de comptage max ~ 300 000 coups/s • - taux de comptage avec 20% de perte ~ 200 000 coups/s

28. * * * Images planaires

29. * Evénements détectés en SPECT photons primaires é bien localisés sur la ligne de projection é information utile direction apparente du photon détecté * photons diffusés é localisation erronée édiminution du contraste des images é biais quantitatif

30. Importance des événements parasites en SPECT • Proportion de photons diffusés dans la fenêtre d’acquisition • ~30% pour le Tc99m • >50% pour le Tl201 • é dépend de la morphologie du patient • é dépend du radioisotope • Correction nécessaires … nb d’événements détectés énergie énergie d’émission

31. Scintigraphie osseuse au Tc-99m normale métastases osseuses

32. R T P 1 16 Fin de diastole Fin de systole Ned - Nes 100 x Ned Imagerie cardiaque dynamique : scintigraphie cavitaire Tc-99m N Fraction d’éjection ed es t

33. scintigraphie mSv 7 0 radio / coupe / an / an / an os myoc. poum. scanner techn. naturelle organ. Paris / NY Irradiations liées aux examens

34. Imagerie 3D des émetteurs de photons  reconstruction tomographique Recueil d’images sous différentes incidences projections

35. Différents types de détecteurs en SPECT

36. q2 q1 x q3 Notion de sinogramme en SPECT • Ensemble des lignes de projection correspondant à une coupe x q

37. y x coupe yi une projection  Notion de sinogramme en SPECT détecteur en position  sinogramme correspondant à la coupe yi x x coupeyi  y 1 acquisition : P projections X x Y ou Y sinogrammes X x P

38. Sinogrammes et projections Sinogrammes et projections contiennent les mêmes informations : ils ne diffèrent que par l’organisation  sinogramme correspondant à la coupe zi Sinogramme : information relative à une coupe pour tous les angles de projection. z projection correspondant à l’angle Projection : information relative à toutes les coupes, mais pour une incidence angulaire unique.

39. Compris ? On dispose de 64 projections de dimension 128 pixels (dans la direction axiale ) x 256 pixels • Combien de coupes transaxiales peut-on reconstruire sans interpolation ? • Combien de sinogrammes peut-on former à partir de ces projections ? • Quelles sont les dimensions d’un sinogramme ? 128 128 64 lignes et 256 colonnes

40. cristaux BGO, LSO ou GSO circuit de coïncidence ligne de réponse 511 keV Détecteur pour la tomographie d’émission de positons (TEP) Collimation électronique : beaucoup plus grande sensibilité : ~0,4% Cristal plus dense ; Imagerie à 511 keV seulement

41. * * * * Evénements détectés en PET Coïncidences vraies é bien localisées sur la ligne de projection é information utile Coïncidences diffusées é mauvaise localisation é diminution du contraste é biais quantitatif coïncidences fortuites émauvaise localisation é réduction des capacités de comptage é biais quantitatif

42. * Vocabulaire PET single (qq soit t) prompt (si arrivé dans fenêtre de coïncidence) Singles : événement détecté à l’intérieur de la fenêtre en énergie, qqsoit son instant d’arrivée par rapport à une fenêtre de coïncidence Prompt : événement détecté à l’intérieur de la fenêtre en énergie et dans la fenêtre de coïncidence Multiples : ≥ 2 prompts dans une fenêtre temporelle Delayed : événements enregistrés dans une fenêtre temporelle décalée (pour correction de coïncidences fortuites) Random (fortuit) : événement non coïncident détecté dans la fenêtre de coïncidence Scattered (diffusé) : prompts issus d’une diffusion Compton Trues : prompts - (scattered + multiples)

43. Passage des lignes de réponse aux projections projection tri des données en projections reconstruction tomographique

44. couronnes de détecteurs * * * * Vue transaxiale PET bidimensionnel (2D) septa inter-plans lignes de mesure Vue axiale

45. PET tridimensionnel (3D) couronnes de détecteurs pas de septa inter-plans * * * * lignes de mesure Vue transaxiale Vue axiale

46. Les détecteurs TEP / CT 60 cm CT TEP 110 cm 100 cm Proof of concept : 1998 (Université de Pittsburgh) Townsend et al.J. Nucl. Med. 2004. 45:4S-14S.

47. Le traitement de l’information Détecteur Radiotraceur Traitement de l’information