Imagerie fonctionnelle nuclaire Philippe Ciuciu CEASHFJ ciuciushfj cea

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

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

Principe de l’imagerie nucléaire : exemple COLLOIDE Tg iodée APEX pinocytose TPO I° Tg radicalisée C Tg non iodée. I E L L GOLGI U Partie glucidique L de Tg E RIBOSOME LYSOSOME MIT T 4 DIT T 3 2. Isotope : I-123 Partie protéique de Tg BASE SANG I T 4 T 3 1. Matière première indispensable à la fabrication des hormones thyroïdiennes: Iode ESIEA – Imagerie nucléaire 3. Etude du devenir de la molécule CEA/SHFJ 3

Les pierres d’angle Détecteur Radiotraceur Traitement de l’information ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 4

Radiotraceurs : contraintes chimiques couplage chimique substance traceuse isotope radioactif • 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, … ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 5

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 ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 6

Radiotraceurs : contraintes physiques (1) couplage chimique Rayonnement alpha marqueur = isotope radioactif 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 ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 7

Radiotraceurs : contraintes physiques (2) marqueur = isotope radioactif couplage chimique a - - particules alpha : très ionisantes, peu pénétrantes : parcours trop faible dans les tissus é non 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 ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 8

Producteurs de photons gamma ( ) - Emetteurs de photons gamma A Z X* X+ A Z - Emetteurs de positons A Z X* ESIEA – Imagerie nucléaire Y + + + n A Z-1 CEA/SHFJ 9

Emetteurs de photons • Emission d’un photon lors du retour d’un noyau de l’état excité à l’état stable A Z X* X+ - rayonnement pas directement ionisant - spectre de raies : photons émis à des énergies bien déterminées 99 m 43 éradioisotope caractérisé par ses énergie d’émission Tc 1 3 99 43 2 142, 7 ke. V 140, 5 ke. V 0 ke. V Tc ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 10

Emetteurs de positons • Emission d’un positon par transformation d’un proton en un neutron et un positon, avec émission d’un neutrino A Z X* A Z-1 Y + + + n - spectre d’émission continu : énergie cinétique du positon comprise entre 0 et Emax • Annihilation du positon avec un électron du milieu + É 2 photons émis de 511 ke. V à ~ 180°± 0. 2° ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 11

Radiotraceur : contraintes physiques (3) • Energie du rayonnement émis X 105 3. 1019 ESIEA – Imagerie nucléaire UV visible - suffisamment élevée pour que les photons s’échappent de l’organisme 105 - pas trop élevée pour que les photons puissent être détectés é entre 70 et 511 ke. V IR 102 101 1 3. 1016 3. 1014 3. 1015 mondes radio 10 -3 3. 1011 3. 108 CEA/SHFJ 12

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 = N 0 exp(-lt) et T = ln 2/l -suffisamment grande pour avoir le temps de suivre le processus d’intérêt - suffisamment courte pour éviter les irradiations inutiles é entre 2 minutes et plusieurs heures ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 13

Isotope émetteur de photons privilégié : le Tc-99 m Technétium 99 m (1960) : énergie = 140 ke. V T = 6 h Tc. O 4 - Tc-99 m précurseur : molybdène 99 (Mo 99) colonne d’alumine de 99 Mo. O 42 séparation des ions Tc. O 4 - et 99 Mo. O 42 - fission de l’U 235 molybdène 99 : Mo 99 (T=67 h) ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 14

Isotope émetteur de positons privilégié : le F 18 Fluor 18 : T = 110 min Bombardement de noyaux stables par des protons ou des deutérons HO F 18 HO HO O F 18 OH FDG ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 15

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

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 ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 17

Types d’émetteurs et techniques d’imagerie nucléaire Emetteurs de • scintigraphie planaire • tomographie d’émission monophotonique : SPECT ou TEMP ESIEA – Imagerie nucléaire Emetteurs de positons + - + • tomographie par émission de positons : PET ou TEP CEA/SHFJ 18

Les détecteurs Détecteur Radiotraceur Traitement de l’information ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 19

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 ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 20

1951 : Scintigraphe à balayage spectromètre PM cristal collimateur asservissement mécanique imprimante é ESIEA – Imagerie nucléaire scintigraphie CEA/SHFJ 21

1958 : Gamma caméra électronique d’acquisition PM guide de lumière cristal collimateur * ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 22

Principe de la gamma caméra électronique d’acquisition PM guide de lumière cristal Na. I(Tl) : 8 -12 mm collimateur * ** Na. I(Tl) : ~ 430 nm ~ 3 e. V = lumière bleue-verte densité : 3, 7 g/cm 3 constante de décroissance : 230 ns => 2000 cps / PM rendement lumineux : 13% ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 23

Tubes photomultiplicateurs * dynodes photons lumineux émis par le cristal signal électrique e- photocathode ESIEA – Imagerie nucléaire anode + Vc < V 1 <. . . Va CEA/SHFJ 24

Circuit de positionnement tubes PM * 6 3 guide de lumière *12 cristal *12 6 1 2 3 18+24+6 6+24+18 x 0 e 96 ESIEA – Imagerie nucléaire x 3 x 10 6 1 2 3 36+20+6 12+20+18 x 12 e 112 CEA/SHFJ 25

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

Évolution des performances des caméras • Premières gamma caméras - résolution spatiale intrinsèque ~13 mm - résolution en énergie ~20% à 140 ke. V - 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 ke. V - 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 ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 34

Images planaires * ** ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 35

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 é diminution du contraste des images é biais quantitatif ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 36

Importance des événements parasites en SPECT • Proportion de photons diffusés dans la fenêtre d’acquisition nb d’événements détectés énergie d’émission ~30% pour le Tc 99 m >50% pour le Tl 201 é dépend de la morphologie du patient é dépend du radioisotope • Correction nécessaires … ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 37

Scintigraphie osseuse au Tc-99 m normale ESIEA – Imagerie nucléaire métastases osseuses CEA/SHFJ 38

Imagerie cardiaque dynamique : scintigraphie cavitaire Tc-99 m R P T 1 16 Fin de diastole N Fin de systole Fraction d’éjection 100 x ed ESIEA – Imagerie nucléaire es Ned - Nes Ned t CEA/SHFJ 39

Irradiations liées aux examens m. Sv scintigraphie 7 radio / coupe / an 0 os myoc. poum. scanner techn. naturelle organ. Paris / NY ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 40

Imagerie 3 D des émetteurs de photons reconstruction tomographique Recueil d’images sous différentes incidences projections ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 41

Différents types de détecteurs en SPECT ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 42

Notion de sinogramme en SPECT • Ensemble des lignes de projection correspondant à une coupe x q 3 q 2 q 1 q ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 43 x

Notion de sinogramme en SPECT y détecteur en position x coupe yi une projection x sinogramme correspondant à la coupe yi x coupe yi y 1 acquisition : P projections X x Y ou Y sinogrammes X x P ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 44

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. ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 45

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 ? 128 • Combien de sinogrammes peut-on former à partir de ces projections ? 128 • Quelles sont les dimensions d’un sinogramme ? 64 lignes et 256 colonnes ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 46

Détecteur pour la tomographie d’émission de positons (TEP) cristaux BGO, LSO ou GSO 511 ke. V circuit de ligne de réponse coïncidence Collimation électronique : beaucoup plus grande sensibilité : ~0, 4% Cristal plus dense ; Imagerie à 511 ke. V seulement ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 47

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 é mauvaise localisation é réduction des capacités de comptage é biais quantitatif ESIEA – Imagerie nucléaire ** CEA/SHFJ 48

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) ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 49

Passage des lignes de réponse aux projections projection tri des données en projections ESIEA – Imagerie nucléaire reconstruction tomographique CEA/SHFJ 50

PET bidimensionnel (2 D) couronnes de détecteurs septa inter-plans * *** Vue transaxiale ESIEA – Imagerie nucléaire lignes de mesure Vue axiale CEA/SHFJ 51

PET tridimensionnel (3 D) couronnes de détecteurs pas de septa inter-plans **** Vue transaxiale ESIEA – Imagerie nucléaire lignes de mesure Vue axiale CEA/SHFJ 52

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: 4 S-14 S. ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 53

Le traitement de l’information Détecteur Radiotraceur Traitement de l’information ESIEA – Imagerie nucléaire CEA/SHFJ 54