Quantification en SPECTPET Philippe Ciuciu CEASHFJ ciuciushfj cea

Quantification en SPECT/PET Philippe Ciuciu (CEA/SHFJ) ciuciu@shfj. cea. fr http: //www. madic. org/people/ciuciu ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 1

Cours préparé à partir des cours de Master de physique médicale, Univ. Paris Sud (Orsay) d‘Irène Buvat (CNRS, INSERM U 678) Et de Régine Trébossen (CEA/SHFJ) ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 2

Au delà des images : la quantification N X k. Bq/ml Etablir la relation entre la valeur d’un pixel et la concentration de radiotraceur dans la région correspondante ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 3

Introduction : pourquoi la quantification ? Caractérisation objective des observations, susceptible d’améliorer : • Le diagnostic différentiel densité de transporteurs dopaminergiques type de démence grade de la tumeur survie • Le pronostic fraction d’éjection traitement • La prise en charge et le suivi thérapeutique régression du métabolisme glucidique poursuite du traitement ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 4

Obstacles à la quantification Physiques atténuation, diffusion, fortuits (PET) Technologiques uniformité résolution spatiale limitée et non-stationnaire bruit de mesure temps mort Statistiques émission aléatoire des photons ou des positons Mouvements du patient : Physiologiques Involontaires Algorithmiques reconstruction tomographique ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 5

Le mouvement et ses conséquences 2 types de mouvements : fortuits physiologiques : cardiaque, respiratoire, … Respiration normale : mouvement d’amplitude de 1 à 3 cm, ~ x 18 /mn SPECT cardiaque PET FDG pulmonaire avec flou cinétique « sans » flou cinétique volume apparent des lésions augmenté de 10% à plus de 30% du fait du mouvement modification du rapport d’activité antérieure/latérale de ~25% Pitman et al, J Nucl Med 2002: 1259 -1267 ESIEA – quantification en SPECT/TEP valeur de fixation diminuée de 5% à plus de 100% Nehmeh et al, J Nucl Med 2002: 876 -881 CEA/SHFJ 6

Corrections de mouvements : état de l’art ? • Mouvements fortuits : tendre vers des examens plus courts • Mouvements physiologiques : - pas de correction systématique - synchronisation cardiaque classique (TEP / TEMP) - vers la synchronisation respiratoire (notamment TEP oncologique pulmonaire) ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 7

Atténuation en SPECT N = N 0 exp d 0 - (l) dl d • Dépend du lieu d’émission sur la ligne de projection * N 0 • Dépend de la densité du milieu atténuant épaisseur d’atténuation moitié (EAM) à 140 ke. V poumons m = 0, 04 cm-1 tissus mous m = 0, 15 cm-1 os cortical m = 0, 30 cm-1 0 18 cm • Dépend de l’énergie des photons : EAM dans l’eau Tc-99 m (140 ke. V) EAM = 4, 8 cm Tl-201 (70 ke. V) EAM = 3, 6 cm 0 5 cm ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 8

Atténuation en PET N 1 = Nb+ exp d 1 0 - (l) dl N 1 N 2 = Nb+ exp d 2 2 d 1 d 2 N 2 = Nb+ exp * - (l) dl = Nb+ exp d 2 0 - (l) dl D 2 0 - (l) dl • Ne dépend pas du lieu d’émission sur la ligne de projection • Dépend uniquement de l’atténuation intégrale sur d 1+d 2=D • Dépend de la densité du milieu atténuant comme en SPECT • Identique pour tous les émetteurs de positons puisque tous donnent lieu à des photons g de 511 ke. V A 511 ke. V, = 0, 096 cm-1 dans les tissus mous ( = 0, 15 cm-1 à 140 ke. V) • Plus pénalisante en PET, car 2 photons doivent atteindre le détecteur ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 9

L’atténuation et ses conséquences TEP TEMP sous-estimation de l’activité de plus de 70% non atténué 230 241 atténué non atténué 27 14 • pas de quantification absolue possible sans correction de l’atténuation • dépend de la densité des tissus atténuants ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 10

Corrections d’atténuation Préalable à une correction efficace : mesure de la densité des tissus atténuants par un dispositif d’acquisition en transmission ou par TDM reconstruction tomo d N N = N 0 exp - (l)dl 0 N 0 cartographie des Corrections • Modélisation de l’effet de l’atténuation dans le projecteur utilisé lors de la reconstruction itérative • Multiplication des sinogrammes par des facteurs de correction C exacts avant reconstruction p = R f Nb+ N 2 d N 1 N 2 = Nb+ exp - (l) dl 0 N 1 ESIEA – quantification en SPECT/TEP C = N 0 / N CEA/SHFJ 11

Mouvement et correction d’atténuation • Mouvement du patient entre les examens émission et transmission x y é en SPECT cardiaque, décalage de 3 cm variabilités d’intensité mesurées allant jusqu’à 40% é en SPECT cérébral, décalage de 2 cm asymétries de fixation et des variabilités d’intensité allant jusqu’à 20 % tx = 0 cm tx = 2, 2 cm ty = 0 cm • Solutions potentielles é recalage des images émission et transmission é acquisitions émission/transmission simultanées avec traitement des problèmes de contamination ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 12

Bruit et correction d’atténuation en SPECT • Bruit dans les cartes des é propagation du bruit lors de la correction d’atténuation • Solutions potentielles - filtrage des cartes des é non concordance de résolution spatiale entre données de transmission et d’émission à l’origine d’artefacts aux interfaces - segmentation des cartes des et affectation de valeurs de a priori dans les différentes régions (os, tissus mous, poumons) é segmentation des différents tissus é hypothèse abusive de valeur de uniforme dans chaque tissu é choix des valeurs de ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 13

Une solution ? Les systèmes bimodaux avec CT cartographie des coefficients d’atténuation m dérivée du CT mais… l’utilisation de la carte des dérivée du CT n’est pas sans poser d’autres problèmes ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 14

Utilisation du CT pour la correction d’atténuation Problème du flou respiratoire : • CT acquis « instantanément » : les images correspondent à une position fixe des organes (notamment les poumons) pendant le cycle respiratoire • SPECT acquis sur une longue durée : les images correspondent à la position moyenne des organes pendant le cycle respiratoire • Les frontières des organes ne sont pas superposables : artéfacts potentiels aux interfaces entre milieux de densités très différentes (poumons tissus mous par exemple). ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 15

Conclusions sur la correction d’atténuation Les corrections existent, sont implémentées sur les machines TEMP et TEP, et sont efficaces mais … • En TEMP : manque de disponibilité des dispositifs d’acquisition en transmission pour la mesure de carte des • En TEP : travaux concernant la carte des : CT - pour réduire le bruit : segmentation, filtrage - pour mettre à l’échelle les valeurs des : segmentation, interpolation - pour travailler à la même résolution spatiale en transmission et émission - pour compenser les flous cinétiques différents en TEP/CT 6 Ge 8 Concentrations d’activité environ 10% supérieure avec la correction utilisant la carte CT Nakamoto et al, J Nucl Med 2002: 1137 -1143 ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 18

Diffusion Compton en SPECT (E) (E’) e- * * E E’ = 1 + E (1 - cos )/m 0 c 2 é photons mal localisés é photons ayant perdu de l’énergie N fenêtre spectrométrique d’acquisition non diffusés Tc-99 m (E=140 ke. V) d 4 d 3 d 1 d 2 60 ESIEA – quantification en SPECT/TEP 100 140 énergie (ke. V) CEA/SHFJ 19

Diffusion en PET (E) (E’) * e e • Dans le patient (1 ou 2 photons diffusés) • Dans le cristal é coïncidences mal localisées é détection possible de coïncidences en dehors de l’objet * SPECT * PET é photons ayant perdu de l’énergie ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 20

La diffusion et ses conséquences TEMP TEP * ~ 30% des photons détectés dans la fenêtre spectrométrique sont diffusés (Tc 99 m) PET 2 D : ~30% PET 3 D : > 50% surestimation locale de l’activité > 10% (jusqu’à plus de 30%) réduction des rapports d’activité lésion / fond ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 21

La correction de la diffusion • Approches spectrométriques • Modélisation simplifiée de la empiriques (surtout en TEMP) distribution des photons diffusés à partir d’une image reconstruite sans photons diffusés correction de diffusion et de la cartographie de densité du milieu = / k atténuant I 2 I 1 image reconstruite sans correction de la diffusion ke. V image corrigée de la diffusion projections acquises projections des photons diffusés projections corrigées de la diffusion Icorrigé = I 1 - k I 2 Soustraction de Jaszczack ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 22

Corrections de diffusion : perspectives Vers des approches de modélisation de la distribution des photons diffusés à partir d’une première estimée de la distribution d’activité et de la cartographie du milieu atténuant densité des tissus modèle de la fonction de réponse « diffusé » Très coûteux en temps calcul reconstruction tomographique itérative mais repositionne les intégrant un modèle de la diffusion photons diffusés, d’où meilleur RSB ESIEA – quantification en SPECT/TEP s CEA/SHFJ 24

L’effet de volume partiel en SPECT et PET 10 mm 100 86 Intensité maximale 100 = fonction de réponse du détecteur image observée • Sous-estimation de l’activité dans les structures de petite taille dépendant é du contraste objet / fond é de la dimension de l’objet é de la résolution spatiale du système max 100 50 02 6 10 14 dimension (mm) 18 contraste résolution spatiale 6 mm 12 mm é affecte les structures de taille <2 -3 FWHM ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 25

Correction de volume partiel : stratégies - coefficients de recouvrement max Inverse du coefficient de recouvrement 100 50 résolution spatiale 12 mm contraste infini 02 6 10 14 dimension (mm) 18 - modélisation anatomo-fonctionnelle = . Aputamen + . Afond fonction anatomie • Quelques travaux en PET, très peu en SPECT ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 26

Performances et conclusions sur la correction de volume partiel ttes corrections sauf volume partiel ttes corrections SPECT activité restituée dans les putamen (%) 120 100 80 60 40 20 0 valeur idéale • Correction délicate, nécessitant une information anatomique haute résolution • Correction sensible aux erreurs de segmentation et aux différences entre anomalies anatomiques et fonctionnelles • Non disponible en routine • Le futur : exploitation de l’information CT pour faciliter une mise en œuvre ? ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 27

Les coïncidences fortuites en TEP ** leur nombre varie comme le carré de l’activité dans le champ de vue : N = 2 t S 1 S 2 • 2 méthodes de correction efficaces en ligne : - fenêtre temporelle de coïncidence décalée dans le temps - estimation à partir des taux d’événements simples S 1 et S 2 pas de biais majeur lié à la détection de coïncidences fortuites • Augmentation du bruit consécutive à leur soustraction augmentation de la variabilité associée aux mesures ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 28

Estimation via une ligne retard • Utilisation de deux circuits de coïncidences détecteur 1 +1 ssi Dt≤ 12 ns * ** détecteur 2 temps fenêtre de coïncidence classique (12 ns) enregistrant coïncidences vraies + coïncidences fortuites fenêtre de coïncidence (12 ns) décalée de 64 ns enregistrant uniquement les coïncidences fortuites détecteur 1 ** temps +1 ssi 64 ns≤Dt≤ 76 ns détecteur 2 ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 29

Estimation via les événements non coïncidents • Nombre de coïncidences fortuites pour une ligne de coïncidence entre les détecteurs 1 et 2 : Nrandom 1 -2 = 2 t S 1 S 2 longueur de la fenêtre de coïncidence détecteur 1 : S 1 singles ** détecteur 2 : S 2 singles ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 30

Synthèse : importance relative des différents biais SPECT cérébral du système dopaminergique idéal sans correction atténuation 120 100 80 60 40 20 0 activité restituée (%) atténuation+diffusion atténuation+rés. spatiale atténuation+diffusion+rés. spatiale+ volume partiel putamen fond ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 31

Conclusions sur la quantification • Quantification : accessible, en PET et en SPECT • Quantification absolue fiable = processus complexe, nécessitant une cartographie de la densité des tissus, un protocole d’acquisition et d’analyse rigoureusement contrôlé, et idéalement, une cartographie anatomique haute résolution • Quantification fiable plus aisée en PET qu’en SPECT, du fait de la correction d’atténuation plus accessible et de la meilleure résolution spatiale, mais reste difficile en TEP • Détecteurs bimodaux PET/CT et SPECT/CT pourraient jouer un rôle majeur pour faire de la quantification une réalité clinique • Problème du volume partiel reste l’obstacle majeur à la quantification des structures de petites tailles ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 32

Au delà de la mesure de « fixation » : la modélisation N X k. Bq/ml Exploiter les mesures de concentration de radiotraceur pour estimer des paramètres physiologiques caractérisant les processus étudiés ESIEA – quantification en SPECT/TEP CEA/SHFJ 33

Estimation de paramètres physiologiques séquence d’images dynamique prélèvement sanguin connaissances biochimiques cinétique associée à une région fonction d’entrée modèle ajustement des mesures au modèle ESIEA – quantification en SPECT/TEP paramètres physiologiques relatifs à la région, e. g. , constante d’échange, flux sanguin, densité de récepteurs CEA/SHFJ 34