14/03/2012 LA MEDECINE NUCLEAIRE F. LAURENT-DANIEL Physicienne médicale Centre GRAY – Maubeuge Année universitaire 2011 - 2012 « Le rire n'est jamais gratuit : l'homme donne à pleurer mais prête à rire. » Pierre Desproges 1 14/03/2012 Qu’est-ce que la médecine nucléaire ? • Cette branche de la médecine utilise les radio-isotopes (radionucléides) • à des fins diagnostiques • ou thérapeutiques. • Elle consiste à suivre un phénomène biologique, sans le modifier, en détectant de très faibles quantités de matière par le rayonnement d'un élément (ou traceur radioactif ) qui émet un rayonnement gamma ou X, détectable de façon externe par un système de détection. « Les décorations c'est comme les bombes, ça tombent bien souvent sur quelqu'un qui ne les mérite pas.. » Définitions Médecine nucléaire : ensemble des applications médicales des traceurs ou sources radioactives en sources non scellées. Sources scellées : sources radioactives dont le confinement permet d'en contrôler le flux. Sur le plan médical, elles sont essentiellement utilisées en radiothérapie (bombe au cobalt, aiguille de radium, ...). Sources non scellées : sources radioactives dont le confinement ne permet pas d'en contrôler le flux. Elles peuvent de ce fait être dispersées, notamment dans l'organisme. 2 14/03/2012 Différence avec le radiodiagnostic MN : Information métabolique ou fonctionnelle RDG : Information anatomique « Mozart était tellement précoce qu'à 35 ans il était déjà mort. » Les traceurs ou radiopharmaceutiques « La seule certitude que j’ai c’est d’être dans le doute » • Le radioélément injecté ou ingéré ou inhalé est un élément chimique, simple ou couplé à une molécule • Il a une affinité sélective pour un organe ou un tissu. • Deux types d'isotopes radioactifs peuvent être utilisés : • Les émetteurs γ dont les photons sont détectés par des caméras à scintillation conventionnelles (gammacaméras). • Les émetteurs β+ dont les photons d'annihilations sont détectés par des caméras à positons. (PET-scan) 3 14/03/2012 Les traceurs non couplés à une molécule vectrice • Parmi eux les plus utilisés sont : • • • • le 99mTc l'123I et l'131I le 201Tl le 133Xe « Le quadruple meurtre de Trifouilly-sur-Mer éclairci: le meurtrier était un ami de la famille. On frémit à l'idée que ç'aurait pu être un ennemi de la famille.... » • Tous ces isotopes sont des émetteurs γ. • Dans ce cas l'isotope radioactif est directement capté par l'organe cible (exemple : captation du 201Tl par les cellules myocardiques) Les traceurs couplés à une molécule vectrice • Dans ce cas la spécificité vis à vis de l'organe est assurée par l'intermédiaire d'une molécule non radioactive, dite froide, qui peut être détectée après couplage avec l'un des isotopes précédents 4 14/03/2012 La radioactivité : notions fondamentales Noyau, Matières et Isotopes • Noyau atomique = assemblage de • Neutrons (1,675 10e-27 kg, charge nulle) • Protons (1,672 10e-27 kg, charge 1,6 10e19 C) • Le nombre Z de protons détermine le numéro atomique de l’élément constitué • Le nombre N de neutrons est variable • Le nombre total de particules appelé nombre de masse A = Z + N L’atome • Un noyau comprenant Z protons (charges élémentaires positives) s’entoure de Z électrons (chargés négativement) pour constituer un atome neutre • Les électrons se répartissent sur des niveaux atomiques • Les états de remplissage de ces couches détermine la nature chimique de l’élément. 5 14/03/2012 La matière • Les atomes se combinent en fonction de leurs affinités chimiques pour donner les molécules. • Les assemblages de molécules constituent la matière Classification périodique des éléments • Un symbole chimique est affecté à chaque élément naturel. • Tous les éléments sont classés en fonction de leurs caractéristiques physico-chimique dans un tableau appelé « classification périodique des éléments » • On note l’élément A Z X 6 14/03/2012 Table de Mendeleev « L'homme est en effet le seul mammifère suffisamment évolué pour penser enfoncer des tisonniers dans l'oeil d'un lieutenant de vaisseau dans le seul but de lui faire avouer l'âge du capitaine. Isotopes .» • Pour une espèce chimique donnée, le nombre de neutrons peut varier d’un atome à l’autre. • Ces noyaux qui ont des numéros atomiques identiques et des nombres de masse différents sont appelés des isotopes. • Presque tous les éléments naturels sont constitués de mélange d’isotopes. • Ex : L’uranium naturel est essentiellement composé de deux isotopes dans les proportions suivantes : 0,7 % d’U235 et 99,3% d’U238 (Z=92) 7 14/03/2012 Etat stable, état radioactif • Les nucléons (neutrons et protons) sont répartis sur différents niveaux énergétiques (couches) dans le noyau • Un mouvement incessant anime ces particules à une fréquence pouvant avoisiner l0e20 s-1. • Des échanges d’énergie perturbent en permanence l’équilibre de cet assemblage Etat stable • Les forces nucléaires qui relient ces éléments assurent la cohésion globale du noyau • Le plus grand nombre d’espèces atomiques rencontrées dans la nature sont stables 8 14/03/2012 Etat radioactif • Certains noyaux lourds sont le siège d’échanges énergétiques parfois très élevés • Lorsqu’une particule élémentaire ou un groupe de particule « capte » un excédent énergétique non compatible avec l’état de stabilité, il se produit un éclatement de sa structure appelé désintégration radioactive • Ce sont des radioactifs naturels Radioactivité naturelle • D’autres éléments radioactifs naturels sont formés par interactions du rayonnement cosmique primaire avec les noyaux composant les hautes couches de l’atmosphère Ils se combinent aux composés organiques et sont absorbés par tous les être vivants Ex : Le Tritium 3H, isotope instable de l’hydrogène Le carbone 14, isotope instable du carbone 9 14/03/2012 Radioactivité artificielle « L'âge mûr, par définition, c'est la période de la vie qui précède l'âge pourri. » • Issue de nombreuses réactions et interactions nucléaires réalisables • Accélérateurs de particules, réacteurs nucléaires • Production possible d’une infinité d’espèces isotopiques instables par fission ou activation neutronique • C’est ceux que l’on utilise en médecine Constante radioactive • Chaque élément radioactif, naturel ou artificiel présente une certaine probabilité de désintégration qui est liée : • Au nombre d’états possibles pour l’arrangement des nucléons • Au nombre d’états instables parmi les états possibles • À la fréquence de renouvellement des états nucléaires • Cette probabilité est appelée constante radioactive λ • Elle s’exprime en seconde-1 « Noël au scanner, Pâques au cimetière. » 10 14/03/2012 Activité • Sur une population de N noyaux radioactifs de même nature, le nombre de désintégrations observées pendant une durée déterminée est d’autant plus grand que la population est importante et que la probabilité de désintégration est élevée. • A=λN (en s-1 comme λ) • L’unité SI est le becquerel (Bq) (1 Bq correspond à 1 désintégration par seconde) « Noël en Espagne, Pâques aux rabanes » Décroissance radioactive La décroissance radioactive suit une loi exponentielle. Le nombre de noyaux radioactifs diminue exponentiellement en fonction du temps selon la constante de désintégration λ . N0 et A0 sont le nombre de noyaux et l’activité au temps t=0 N(t) = N0.e -λt D’où A(t) = A0.e -λt 11 14/03/2012 Démonstration de la décroissance exponentielle • Pour une population de N noyaux radioactifs présents à l’instant t • dN noyaux disparaissent pendant l’intervalle de temps dt • La quantité dN est proportionnelle à la population N de noyaux, à la constante radioactive et est aussi directement fonction de la durée d’observation dt • On peut écrire : dN = -λNdt Equation différentielle • En multipliant par λ, on obtient d(λN)=-λ(λN)dt donc dA= -λAdt • D’où l’équation différentielle suivante dA/A = -λ dt • On intègre alors entre les bornes suivantes : • Au temps t = 0, l’activité est notée A0 • Au temps t, l’activité est noté A 12 14/03/2012 Intégration de l’équation différentielle • [ln A] entre A0 et A est égal à [-λ t] entre 0 et t • D’où ln A – ln A0 = -λ t • ln (A/A0) = -λ t • Au final, A = A0 e -λt Période radioactive période radioactive T d’un nucléide : temps nécessaire pour que la moitié des noyaux de ce nucléide subisse la désintégration (demi-vie). T = ln 2 / λ Elle s’exprime en seconde. Plus la période est courte, plus le radioélément disparaît rapidement Donc au bout d’une période T, A= A0/2 à 2T, A= A0/4, à 3T, A=A0/8, … à nT, A=A0/2n « Plus cancéreux que moi, tumeur ! » 13 14/03/2012 3 types d’émissions radioactives (1) • Radioactivité α : • Particules 42He, directement ionisantes mais très peu pénétrantes • Elles sont arrêtées par une feuille de papier et par une épaisseur de quelques centimètres d’air. • Elles pénètrent la peau sur une épaisseur de l’ordre de quelques micromètres. Elles ne sont pas dangereuses pour la peau. Par contre, elles sont dangereuses par absorption interne : inhalation, ingestion. « Ce qu'il y a de réconfortant dans le cancer, c'est qu'un imbécile peut attraper une tumeur maligne. » 3 types d’émissions radioactives (2) • Radioactivité β • Particules β+ positons ou β- électrons • Elles sont directement ionisantes et plus « Quand le trèfle est couché, le pique nique. » pénétrantes que les particules α. • Elles sont arrêtées par un écran de Plexiglas ou par une plaque d’aluminium de quelques millimètres. • Elles pénètrent la peau sur une épaisseur de quelques centimètres. Elles sont dangereuses pour la peau. 14 14/03/2012 3 types d’émissions radioactives (3) • Radioactivité γ • Photons / ondes électromagnétiques • Masse nulle • Ils ne sont pas directement ionisants, mais ils sont très pénétrants. Ils peuvent traverser jusqu’à 20 cm de plomb. • Par interaction avec les atomes des substances traversées, ils peuvent donner naissance à des électrons qui eux sont ionisants. Le Technétium 99m … le plus utilisé. • Le 99mTc est l'isotope γ le plus utilisé actuellement car il offre comme avantage de pouvoir être produit de façon extrêmement simple par n'importe quel service de médecine nucléaire. 15 14/03/2012 Exemples de radiopharmaceutiques couramment utilisés : Organe - Fonction Pathologie Thyroïde Molécule froide Isotope radioactif - 99mTc 123I 131I Squelette Diphosphonates Myocarde MIBI 99mTc Albumine 99mTc - 133Xe Perfusion pulmonaire Ventilation pulmonaire 99mTc 201Tl Quelques caractéristiques de radiotraceurs Isotopes Energie gamma (keV) Demi-vie physique (heures) Technétium 99mTc 140 6 Iode 123I 159 13 Thallium 201Tl 75 et 135 73 Xénon 133Xe 81 127 Indium 111In 173 et 247 67 16 14/03/2012 Fixation et élimination du traceur Caractérisé par le temps au bout duquel la moitié d’une quantité initiale quelconque a disparu de l’organisme d’une façon ou d’une autre. Teff : temps pendant lequel le taux de fixation est divisé par 2. dépend de : * la période physique du traceur Tph (décroissance radioactive) * la période biologique de la substance Tbio (élimination par l’organisme) “Archimède fut le premier à démontrer que, lorsqu'on plonge un corps dans une baignoire, le téléphone sonne.” Comment détecter ces photons ? A l'aide d'un scintillateur et de photomultiplicateurs « L'ennemi est bête : il croit que c'est nous l'ennemi alors que c'est lui !.» Gamma-caméra ou caméra à scintillation 17 14/03/2012 Bases physiques de la détection des photons gamma • Fait appel au principe physique de l’interaction rayonnement – matière. • 2 principaux types d’interactions : • Effet photoélectrique • Effet Compton L’effet photoélectrique « L’élite de ce pays permet de faire et défaire les modes, suivant la maxime : « Je pense, donc tu suis. » Un photon gamma percute un électron d’une orbitale interne d’un atome. L’électron est expulsé et on l’appelle alors photo-électron. Un électron d’une orbitale supérieure (donc plus énergétique) vient prendre la place de l’électron expulsé et ce saut s’accompagne de l’émission d’un photon, dit photon de fluorescence 18 14/03/2012 L’effet Compton Le photon gamma est seulement dévié par un électron (c’est la diffusion), et perd une partie de son énergie « J’essaie de ne pas vivre en contradiction avec les idées que je ne défends pas. » Effet Photoéléctrique / effet Compton • La diffusion est un effet indésirable car on ne sait pas retrouver l’origine du photon γ une fois dévié. • L’effet photo-électrique est le phénomène essentiel permettant la détection des photons γ en Médecine Nucléaire. • Il est à la base de la détection dans les gammacaméras actuelles, par détection du photon de fluorescence 19 14/03/2012 Le détecteur à scintillation • Il existe différents types de détecteur de rayons gamma (à gaz, à semi-conducteur…). • Actuellement, le système le plus répandu en Médecine Nucléaire pour la détection d’un photon γ est formé de l’association d’un cristal (généralement d’iodure de sodium avec des traces de thallium) et d’un photo-multiplicateur Schéma de principe «Alea jacta est : ils sont bavards, à la gare de l'Est. Alea jacta ouest : à Montparnasse aussi. » 20 14/03/2012 Principe de la scintillation • Dans le cas idéal, lorsqu’un photon γ interagit avec le cristal, il cède son énergie au cristal par effet photo-électrique. • Le photo-électron éjecté a une énergie suffisante pour provoquer à son tour l’expulsion de nombreux autres électrons dans le cristal. • Un photon de fluorescence (dans le domaine bleuultraviolet) est émis pour chaque photo-électron expulsé. • On obtient ainsi une gerbe de photons : c’est la scintillation. Fonctionnement d’un PM • Un PM est une ampoule de verre contenant principalement • une photocathode, • des dynodes • et une anode. • Lorsque les photons de scintillation heurtent la cathode, celle-ci émet des électrons (à nouveau par effet photo-électrique). • Ces électrons sont accélérés de la photo-cathode vers une première dynode du fait de l’application d’un champ électrique d’une centaine de volts entre elles. 21 14/03/2012 Amplification dans les dynodes (1) • Un champ électrique est à l’origine d’une force où q est la charge de l’électron. • Cette force appliquée à l’électron lui donne une accélération non nulle où m est la masse de l’électron. Donc une augmentation de sa vitesse. Amplification dans les dynodes (2) • Lorsque l’électron heurte la dynode à grande vitesse, son énergie cinétique est suffisante pour arracher plusieurs électrons à la dynode. • Ces électrons vont à leur tour être accélérés vers la dynode suivante, où ils arracheront chacun plusieurs électrons, d’où un phénomène d’amplification. « Les aspirations des pauvres ne sont pas très éloignées des réalités des riches. » 22 14/03/2012 Quantification de l’amplification • Un PM comprend une dizaine de dynodes. • Si chaque électron arrivant sur une dynode provoque l’expulsion de 5 électrons vers la dynode suivante, l’amplification peut atteindre un gain théorique de 5 exposant 10, soit environ 10 millions. Energie du photon incident • Le courant total (représenté par la surface sous la courbe du pulse à la sortie du PM) est proportionnel à l’énergie γ perdue. • On détermine de cette façon l’énergie d’un photon γ incident par l’amplitude du signal électrique qu’il génère. 23 14/03/2012 Temps mort de détection • Il est à noter que l’émission lumineuse (et donc l’impulsion de courant généré à la sortie des PM) a une durée non nulle (de l’ordre de 250 ns pour l’iodure de sodium). • Il est nécessaire d’attendre la décroissance du signal pour pouvoir déterminer le courant total, défini par la surface sous la courbe du pulse. • Globalement, le temps de traitement d’un événement est de l’ordre de la microseconde. • Ce temps, pendant lequel il n’est pas possible de traiter un nouvel événement, est appelé temps mort. Saturation du PM • Plus le flux de photons γ est important, plus les temps morts sont nombreux, et donc le nombre d’événements non traités (car survenant durant un temps mort) augmente. • On peut ainsi arriver à saturer le système de détection : le nombre de signaux à la sortie des PM n’augmente plus linéairement avec le flux des photons, et même il diminue. 24 14/03/2012 De la sonde à scintillation …à la gamma-caméra. • Ce type de détecteur à scintillation (communément appelé sonde), associé à un dispositif mécanique permettant son déplacement fin (le balayage, ou scan en anglais), permet de réaliser des images. • Cependant, la scintigraphie moderne utilise la gamma-caméra pour l’acquisition des images. L’intérêt d’une gamma-caméra est de collecter des informations sur un grand nombre de points simultanément. Il est ainsi possible d’obtenir des images de grandes zones du corps, ou du corps dans sa totalité. La gamma-caméra Principe général La caméra à scintillation permet la localisation spatiale des photons émis par l'organe cible. Après administration, le plus souvent par voie intra-veineuse, le traceur se fixe sur l'organe cible pour émettre des photons dans toutes les directions. Après avoir traversé l'organisme, certains d'entre eux sont détectés par la caméra. Cette détection comporte différentes étapes. 25 14/03/2012 « L’amour… il y a ceux qui en parlent et il y a ceux qui le font. À partir de quoi il m’apparaît urgent de me taire. » Description du schéma 1. 2. 3. 4. 5. Sélection par un collimateur des seuls photons émis perpendiculairement à la caméra. Ceci est indispensable pour estimer la position initiale des photons. Interaction des photons γ avec un cristal de NaI(Tl). Cette étape permet de transformer les photons γ en photons de fluoresence par effet photoélectrique (scintillation).Chaque photon γ est à l'origine de plusieurs centaines de photons lumineux émis dans toutes les directions. Transformation des photons lumineux en courant électrique au niveau de la photocathode des photomultiplicateurs situés en arrière du cristal. Sélection spatiale et énergétique des photons. La transformation précédente aboutit à la formation de signaux à partir desquels il est possible de déterminer précisément la position initiale de chaque photon émis, ainsi que leur énergie. A la suite de cette sélection, il est possible de reconstituer l'image de la distribution des photons dans l'organe étudié. Constitution de la gamma-caméra Les gamma-caméras disposent d’une, deux, voire trois têtes de détection. Chaque tête est composée d’un collimateur, d’un cristal et de plusieurs PM 26 14/03/2012 Exemples de gamma-caméras 1. Le collimateur • Le collimateur est une plaque de plomb percée de trous. • Le plomb (en épaisseur suffisante) arrête la quasitotalité des photons gamma qui le frappent. • Seuls les photons émis dans l’axe d’un trou traversent le collimateur et parviennent au cristal dans lequel vont se produire les scintillations 27 14/03/2012 Un collimateur, pourquoi ? • • • Les photons sont émis dans toutes les directions. Sans collimateur une source envoie des photons sur l’ensemble du détecteur et l’image est totalement floue. Avec un collimateur, seuls les photons émis dans l’axe des trous parviennent au détecteur, et l’image correspond à la projection de l’objet sur le plan du détecteur. Nécessité d’un collimateur • La collimation est donc indispensable à « Au Paradis, on est assis à la droite de Dieu : c'est normal, c'est la place du mort. » l’obtention d’une image. • Elle présente de plus un intérêt considérable : elle permet de connaître la direction dans laquelle viennent les photons, à savoir l’axe parallèle à l’axe des trous et passant par le point de scintillation sur le détecteur. • Cette information sera indispensable au moment de la reconstruction en 3D (reconstruction tomographique) qui permet de déterminer, en plus de la position du point d’impact sur le détecteur, la distance de la source au détecteur. 28 14/03/2012 Différents types de collimateurs Ces collimateurs sont choisis en fonction de l’organe à explorer. Dans tous les cas, le rôle reste le même : sélectionner les photons selon leur direction de propagation. Inconvénients des collimateurs • L’inconvénient majeur du collimateur est qu’il ne laisse passer qu’une faible partie des photons (1 sur 10000 environ) • La majorité disparaît dans le plomb du collimateur. Le signal recueilli est donc souvent faible, mais ceci est partiellement compensé par la haute sensibilité du cristal et par l’amplification du signal. • C’est également le collimateur qui va dans une large mesure déterminer la résolution de la gamma-caméra (c’est à dire sa capacité à distinguer deux objets proches) en fonction • du diamètre des trous, • de l’épaisseur de plomb entre les trous • et de la géométrie du collimateur. « Conseils aux centenaires : dépêchezvous. » 29 14/03/2012 Le cristal On reconnaît le rouquin aux cheveux du père et le requin aux dents de la mère.. • La quasi-totalité des photons gamma qui parvient au cristal provoque une scintillation. • Le cristal est composé d’ Iodure de Sodium dopé au thallium (NaI Tl), bien adapté à la détection de ces photons de faible énergie. • Un seul cristal est utilisé par détecteur (cristal d’environ 50x60cm actuellement, avec une épaisseur de 9.5 mm). Les photomultiplicateurs • L’utilisation de plusieurs PM (quelques dizaines dans une tête de gamma-caméra actuelle) rend la détection de la scintillation plus efficace, • mais elle permet surtout d’acquérir simultanément les signaux en plusieurs points, et ainsi de constituer une image de l’organe d’intérêt en un temps réduit • Il existe en effet la possibilité de n’utiliser qu’un PM, et de déplacer l’ensemble cristal-PM pour balayer l’organe d’intérêt ; cette solution n’est plus utilisée que dans de rares cas, l’examen thyroïdien par exemple). 30 14/03/2012 La formation de l’image • L’image scintigraphique comprend trois informations de base : • la localisation des scintillations dans le cristal, • leur nombre • et l’énergie des photons γ qui sont à l’origine des scintillations Localisation des scintillations • Dans les caméras les plus modernes (digitales), les signaux numériques provenant de chaque PM sont comparés entre eux. Une localisation grossière de l’interaction photon/cristal est tout d’abord obtenue en recherchant le PM qui a fourni le plus grand signal. Ensuite, la localisation est affinée en prenant en compte l’amplitude des signaux des PM voisins (en calculant " le centre de gravité " de la scintillation). • On peut ainsi localiser les scintillations aussi bien en face d’un PM qu’entre deux PM. Le cristal est virtuellement découpé en un nombre fini de cases (ou pixels) de quelques millimètres carrés. Chaque pixel est identifié de façon unique par ses coordonnées dans un repère orthonormé. Chaque scintillation est attribuée à un des pixels. 31 14/03/2012 Dénombrement des évènements • Le mode de localisation des événements décrit cidessus permet de détecter plusieurs événements simultanément, à condition qu’ils surviennent en des endroits suffisamment éloignés dans le cristal. • En effet, dans ce cas, les deux scintillations concernent deux groupes de PM différents. • Si les scintillations sont proches dans le temps et dans l’espace, il n’est pas possible de déterminer ni l’énergie ni la position de chaque événement, et ces deux événements sont rejetés. Sélection selon l’énergie • La somme des signaux émis par les PM au voisinage de l’interaction est proportionnelle à l’énergie du photon γ incident. • Sélectionner les événements d’une certaine énergie revient donc techniquement à sélectionner les signaux électriques ayant l’amplitude correspondant à cette énergie. • La correspondance entre l’énergie d’un photon γ et l’amplitude du signal généré par la scintillation est établie préalablement grâce à une calibration. • On n’utilise généralement que les signaux correspondants à l’énergie du photopic 32 14/03/2012 Obtention de l’image • Les trois informations : • Localisation • Intensité • Energie obtenues, on peut constituer une image. • Seuls les photons de même énergie sont considérés pour former une image. • Chaque pixel est représenté sur l’écran avec une couleur (ou avec une luminance) définie selon le nombre de scintillations dans ce pixel Une image… 33 14/03/2012 Les grands types d’acquisition d’images • • • • • Acquisition planaire statique Acquisition planaire dynamique Acquisition planaire synchronisée (« gated ») Acquisition tomographique Acquisition tomographique synchronisée Acquisition planaire • Statique : «Vous pouvez railler, mais n’oubliez jamais qu'un jour ou l'autre, c'est celui qui raille qui l'a dans le train.» • Les têtes d’acquisition sont immobiles ; une seule image est acquise. C’est le principe de la photographie. On s’intéresse ici à la répartition du radiotraceur lorsqu’il est fixé de façon relativement stable dans l’organisme. • Dynamique : • Les têtes d’acquisition sont immobiles ; plusieurs dizaines d’images sont successivement acquises, à raison de quelques secondes par image. C’est le principe du cinéma. On veut ici connaître la cinétique du radiotraceur (vitesse de fixation ou d’élimination du traceur dans l’organe d’intérêt). • Synchronisée : • utilisée pour les études cardiaques. Cette acquisition est similaire à l’acquisition planaire dynamique, mais elle démarre à un instant particulier du cycle cardiaque, et 16 images sont généralement acquises durant chaque cycle. Le cycle cardiaque est connu grâce à la pose d’électrodes ECG. 34 14/03/2012 Scinti focalisée des membres inférieurs Acquisition tomographique • Les têtes d’acquisition sont en rotation autour du sujet. Plusieurs dizaines d’images sont successivement acquises, chacune sous un angle différent. On veut connaître la répartition du traceur dans les 3D de l’espace. • En technique synchronisée : • Sous chaque angle de prise de vue, sont réalisées des acquisitions synchronisées avec le cycle cardiaque. On obtient ainsi la répartition de la radioactivité en 3D, au cours du cycle cardiaque. « L'accouchement est douloureux. Heureusement, la femme tient la main de l'homme. Ainsi, il souffre moins. » 35 14/03/2012 Scinti tomographique cérébrale Etude de la cinétique ventriculaire gauche par tomographie synchronisée à l'ECG 36 14/03/2012 Choix de la technique • Dans tous les cas, le patient doit être immobile, sinon les images sont floues. • Le choix du type d’acquisition dépend entre autres de l’organe d’intérêt. Acquisition particulière • Acquisition planaire statique " corps entier ". • La surface du détecteur (environ 50x60cm) étant plus petite que le corps, il est nécessaire de déplacer le détecteur pour qu’il balaye le corps dans son ensemble. • Cependant, cette acquisition permet d’obtenir sur une unique image l’ensemble du corps. • L’acquisition " corps entier " est utilisée pour rechercher des métastases, c’est à dire des cellules cancéreuses qui peuvent migrer dans l’organisme à partir d’une tumeur primitive. 37 14/03/2012 Scinti osseuse corps entier Application thérapeutique • La radiothérapie métabolique : • • • • Administration d’un isotope en dose élevé Fixation sur l’organe cible Dépôt de dose et traitement local de l’organe Elimination progressive de l’isotope par le corps • Ex : radiothérapie métabolique de la thyroïde à l’iode 131 38 14/03/2012 Tomographie par émission de positons TEP (PET scan) • Différente de la tomographie d’émission monophotonique déjà abordée. • Injection d’un radiotraceur émetteur β Fluor 18 : émetteur de positons β+ « L'ennemi se déguise parfois en géranium, mais on ne peut s'y tromper, car tandis que le géranium est à nos fenêtres, l'ennemi est à nos portes. » Emission de positons et réaction d’annihilation • • • Enfin selon une équation célèbre E=mc² , ces deux photons (photons gamma) emporteront avec eux une énergie de 511 KeV. L'atome de Fluor F18 va émettre un positon, qui s'échappe du noyau et après un parcours très bref de qq mm dans la matière, rencontre un électron appartenant à un autre atome. Cette rencontre électron - positon (matière - antimatière) entraînera la disparition des deux particules au cours de la " réaction d'annihilation ". Cette réaction d'annihilation provoquera l'émission de deux photons, émis dans des directions diamétralement opposées. 39 14/03/2012 Molécule vectrice • Le 18FDG (2-18F- fluoro-2déoxy-D-glucose) est une molécule de glucose dont l'un des groupements hydroxyl (OH), en position 2, a été remplacé par un atome de fluor radioactif (18F). • Sous ce nom un peu complexe se cache simplement une molécule de sucre, radioactive pour quelques heures... Caractéristiques biophysiques • Demi-vie de moins de 2 heures : isotope éphémère • En réalité, cette radioactivité disparaît encore plus rapidement, car le FDG est également éliminé par l'organisme. • Juste après l'examen, soit environ deux heures après l'injection, une grande partie du produit se retrouvera dans la vessie, et le sujet ira simplement uriner. 40 14/03/2012 Le PET scan Principe de détection • Des PM avec chacun un petit cristal placés • non plus sur des plans • mais sur des couronnes, au centre desquelles est placé le sujet 41 14/03/2012 La détection en coïncidence • Les photons émis à 180° l'un de « L'intelligence, c'est comme les parachutes, quand on n'en a pas, on s'écrase. » l'autre cristaux sont détectables par des opposés. • L'endroit précis de l'annihilation se trouvera donc sur une ligne rejoignant ces cristaux. • Le système électronique dit de "détection en coïncidence" enregistre ainsi ces deux signaux opposés afin de savoir s'ils proviennent de la même réaction d'annihilation Coincidence fortuite et diffusée •Techniquement, la détection des deux photons par deux détecteurs placés en vis à vis n’est validée que si les deux détections sont quasiment simultanées (c’est à dire que la seconde survient moins de 10 à 20 ns après la première) : c’est la détection en coïncidence. • Cette contrainte est nécessaire car si on attend plus longtemps, il y a une probabilité importante que le deuxième photon détecté provienne en fait d’une autre annihilation. On parle alors de coïncidence fortuite. • D’autre part, si un des photons est dévié, on parle de coïncidence diffusée. Dans ce cas, il y aura une erreur sur la direction réelle d’émission des photons. •Les coïncidences fortuites et diffusées sont une importante cause de bruit. 42 14/03/2012 « Sans pile, on perd la face. » Absence de collimateur • En TEP, les collimateurs ne sont pas nécessaires. • En effet, en détectant deux photons, et sachant qu’ils ont été émis dans des directions opposées, il est aisé de déterminer leur direction : • c’est la direction de la droite passant par les sites de scintillation dans la couronne de détecteurs. • L’absence de collimateurs améliore grandement la sensibilité globale du système. Le cristal • Les deux photons émis par les émetteurs de positons possèdent une énergie beaucoup plus élevée (511 keV). • Une détection optimale de ces photons beaucoup plus énergétiques nécessitera l'utilisation • soit d'un cristal particulier, BGO (Bismuth Germanium Oxide) • soit d'un cristal plus classique comme le NaI(Tl) (Iodure de Sodium) mais dont l'épaisseur devra être plus importante. 43 14/03/2012 Quelques photos… Les grandes applications du TEP • Les 3 champs principaux d'applications cliniques du TEP sont aujourd'hui par ordre d'importance : • la CANCEROLOGIE, (Diagnostic, Caractérisation de tumeurs , Bilans avant et après traitement, Surveillance, Évaluation d'efficacité thérapeutique) • la CARDIOLOGIE, (Maladie coronarienne, Cardiomyopathie dilatée, Hypertrophie ventriculaire gauche primitive ou secondaire) • la NEUROLOGIE-PSYCHIATRIE, (Maladie d'Alzheimer et autres démences, Maladie de Parkinson, Épilepsie, Pathologies vasculaires cérébrales) • D'autres domaines d'applications intéresse également le TEP, mais reste encore du domaine de la recherche : schizophrénie, autisme, infectiologie, étude des récepteurs... 44