4 - Imagerie Scintigraphique

IMAGERIE SCINTIGRAPHIQUE
I. Introduction
A. Principe
On va administrer (injecter +++) au patient une molécule(le radiopharmaceutique) qui est :
 Spécifique de l'organe à étudier
 Marquée par un radioélément émetteur γ (ou β+)
Au bout d'un temps variable, ce radiopharmaceutique se fixe sur l'organe-cible qui devient
émetteur γ (ou β +)
Une fois que le rapport signal / bruit est suffisant on a une détection de ce rayonnement par
une gamma-caméra (ou caméra à position). On aura une imagerie numérique de la distribution du
radiopharmaceutique.
B. Imagerie par émission et par transmission
L'imagerie scintigraphique est ce qu'on appelle une imagerie par émission. En effet, c'est
l'organe qui fixe le radiopharmaceutique qui devient la source du rayonnement qui est reçu par les
détecteurs. Ainsi on parle d'émission car le détecteur reçoit des "émissions".
On l'oppose à l'imagerie radiologique conventionnelle ou la source de rayon X se trouve à
l'extérieur du sujet. Ce faisceau de rayons X traverse le sujet. Ainsi, le détecteur reçoit du
rayonnement transmis. On parlera donc d'imagerie par transmission.
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C. Axes de développement
Cette imagerie se développe selon un axe :
 Technologique avec une recherche de l'amélioration des performances des caméras
 Biologique avec la mise au point de nouveaux radiopharmaceutiques
D. Les radiopharmaceutiques
1. Généralités
Les radiopharmaceutiques sont des molécules radiomarquée administrée à un patient en vue :
 D'un examen scintigraphique
 D'une thérapie (Radiothérapie interne vectorisée)
Ce radiopharmaceutique est un médicament. Il a donc une AMM (Autorisation de Mise sur le
Marché) et une RCP (Résumé des Caractéristiques du Produit). L'utilisation de ces
radiopharmaceutiques oblige à la présence d'un radiopharmacien.
Ces radiopharmaceutiques sont des sources radioactives non scellées. Ainsi, on a risque de
contamination interne mais aussi externe.
Il existe plusieurs dizaines de radiopharmaceutiques spécifiques d'un organe ou d'une
fonction. De plus, pour certains organes, on a plusieurs radiopharmaceutiques différents pour
étudier plusieurs fonctions.
Par exemple : Il existe des radiopharmaceutiques qui permettent de voir la perfusion du cœur et
d'autres qui permettent de calculer le volume d'éjection sanguin du ventricule gauche.
Attention, les radiopharmaceutiques ne sont pas l'équivalent des produits de contraste en
radiologie qui servent à améliorer le contraste entre plusieurs tissus.
2. Structure
a. En général
C'est un atome d'un radioélément associé à une molécule vectrice qui est spécifique de
l'organe-cible. Ainsi elle véhiculera le radioélément vers l'organe voulu.
Exemple : Les agrégats d'albumine associé au technicium 99m dans la scintigraphie de perfusion
pulmonaire
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b. Parfois
On peut utiliser le radioélément seul si ses propriétés physico-chimiques sont suffisantes
pour qu'il soit véhiculé.
Exemple : L'iode 123 dans la scintigraphie thyroïdienne
Exemple : Le krypton 81m dans la scintigraphie de ventilation pulmonaire
3. Mécanisme de localisation sur l'organe cible
Il existe 4 mécanismes qui vont permettre au radioélément d'aller se fixer sur l'organe cible
a. Selon un phénomène métabolique actif
Exemples :

123

18
I dans la scintigraphie de la thyroïde.
F-désoxyglucose dans les TEP-Scan des tumeurs.
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b. Selon un phénomène passif
Exemples :

81m

99m
Kr dans la ventilation pulmonaire
TC – agrégats d'albumine dans la scintigraphie de la perfusion pulmonaire
c. Selon une fixation sur des récepteurs spécifiques
Exemple :

111

123
In (Indium) – octréotide (OCTREOSCAN®) qui se fixe sur le récepteur de la somatostatine
dans la recherche de tumeur neuroendocrines
I – ioflupane (DATSCAN®) qui se fixe sur des récepteurs dopaminergiques des noyaux gris
centraux.
4. Selon une fixation d'un anticoprs sur un antigène
Exemple :

99m

90
Tc – Anticorps antigranulocytes (LEUKOSCAN®) qui se fixent sur les foyers septiques
permettant de localiser les sites infectieux.
Y – Anticorps antiCD20 (ZEVALIN) dans le traitement de certains lymphomes B
Le 90Y (Yttrium) est un émetteur spécifique β. Il va permettre une action thérapeutique via la
destruction des lymphocytes cancéreux.
E. Imagerie scintigraphique
Le contraste est du aux différences de concentration tissulaire du radiopharmaceutique.
La concentration du radiopharmaceutique dans l'organe-cible reflète son fonctionnement,
physiologique ou pathologique.
On a donc une imagerie "fonctionnelle".
Elle s'oppose à l'imagerie par les rayons X dont le contraste est du aux différences de densité
tissulaire.
On a donc une imagerie "morphologique" ou "anatomique".
Sur ce type d'image on verra bien les détails anatomiques de l'organe.
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On a ici une coupe TDM passant par les noyaux gris centraux. On discerne bien les différentes
structures.
A côté on a une image scintigraphie au DATSCAN qui fixe les noyaux gris centraux. L'intérêt
de cette dernière image est qu'elle est fonctionnelle.
Par exemple : La maladie de Parkinson due à une dégénerescence des noyaux gris centraux avec une
perte de synapses dopaminergique. Au scanner, on aura une image morphologique normale. Par
contre sur la scintigrapghie on aura une moins bonne fixation sur le snoyaux gris centraux, signant le
diagnostique.
F. Sémiologie
Quand on regarde une image scintigraphique ou regarde où se fixe le radiopharmaceutique.
La localisation est elle physiologique ou pathologique ?
Attention cependant aux organes impliqués dans l'élimination du radiopharmaceutique (reins,
vessie, …)
Il faut aussi regarder l'intensité de la fixation du radiopharmaceutique.
La fixation est elle d'intensité normale ? A-t-on une hyperfixation ou une hypofixation ?
SI on a une anomalie, il faut se demander si elle est significative ou non ? Il faudra donc la quantifier.
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II. Imagerie par émetteurs de photons γ
A. Le radiopharmaceutique le plus utilisé : Le Technicium 99m (99mTc)
Caractéristiques d'un bon radioémetteur
Caractéristiques du Technicium
99m
Il faut qu'il soit γ pur entre 70 et 200 kV (zone
optimale de fonctionnement des gamma-caméra)
C'est un émetteur γ "pur" de 140 kev
Il faut que sa période soit de quelques heures pour
qu'il soit nocif le moins longtemps.
Il a une période de 6h
Il faut que les marquages du radioélément sur la
molécule vectrice soient faciles et durables. Il faut
que ce marquage soit stable.
Il présente un marquage facile et stable
Ce radioélément doit être facilement disponible.
Il est produit par un générateur domestique. On a
un radioélément "père" le 99Mo (Molybdène) qui
donnera le radioélément "fils" de 99mTc.
Ces préparations se fond dans des boîtes à gants
blindées.
B. La gamma-caméra
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Le patient, dont l'organe est marqué par le radiopharmaceutique, envoi des photons dans
toutes les directions.
Les photons qui vont dans la bonne direction sont captés par le collimateur.
On a au-dessus le cristal à scintillations, les photomultiplicateurs, et de l'électronique. Toute ce
matériel est engainé dans du plomb et relié à un ordinateur.
1. Le collimateur
C'est une plaque de plomb de quelques centimètres d'épaisseurs avec des trous hexagonaux.
Ce collimateur permet de sélectionner les photons se propageant dans une direction déterminée.
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Les photons qui ont une direction parallèle à celle des trous vont passer. Les autres seront
arrêtés par les septas en plomb. La sélection de ces photons à direction parallèle permette de
localiser la source du photon.
Le problème majeur est que ce collimateur laisse passer des photons diffusés Compton.
Le photon incident interagit avec un électron Compton qui part dans une direction, mais cela
va aussi créer un photon diffusé qui ne pourra passer à travers le collimateur constituant une erreur
de localisation de la source.
Ainsi, le rayonnement diffusé dégrade la qualité des images.
Ainsi, le collimateur n'élimine pas les photons diffusés
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2. Cristal à scintillions (NaI : Iodure de Sodium)
Les photons γ qui ont traversé le collimateur interagissent dans le cristal :
 Par effet photoélectrique (principalement) donnant des photoélectrons
 Par effet Compton donnant des électrons Compton
Ces électrons perdent leur énergie cinétique dans le cristal en excitant des molécules du
cristal.
La désexcitation des molécules du cristal abouti à l'émission de photons de scintillation qui
ne sont rien d'autre que des photons de fluorescence (émis lors d'un réarrangement électronique)
dont l'énergie E ≈ 3 eV.
On a donc la transformation des photons γ en photons de scintillation.
3. Les photomulcitplicateurs (PM)
Ce sont des tubes électroniques solides qui vont tapissés le cristal.
Un photon γ produit des photons de scintillations qui vont être pris en charge par le premier
élément du photomultiplicateur : la photocathode.
La photocathode transforme un photon en électron. Quand un photon tape la
photocathode, il libère un électron. Cet électron est pris en charge par des dynodes dont le potentiel
positif est de plus en plus élevé ce qui va permettre d'amplifier le nombre d'électrons.
Le photomultiplicateur multiplie donc le nombre d'électrons.
A la fin, on aura donc une multitude d'électron qui est proportionnels à l'énergie du photon.
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4. Convertisseurs analogiques numériques
Derrière chaque photomultiplicateur on a un convertisseur qui numérise le signal émit.
5. Circuits de localisation
Ils permettent de localiser où se trouve la source radioactive dans l'organe.
Le principe est que l'intensité du signal de sortie de chaque photomultiplicateur dépend de
sa position par rapport au point d'impact du photon dans le cristal.
On a un calcul des coordonnées (X, Y) du point d'impact du photon dans le cristal. Or comme
le collimateur sélectionne les photons perpendiculaires au collimateur, la source sera à la
perpendiculaire de l'impact du photon dans le cristal.
On a donc la localisation du photon γ
6. Spectrométrie / sélecteur d'amplitude d'impulsions
L'énergie des photons diffusés dans les tissus est inférieure à
l'énergie des photons incidents.
Exemple : Pour le 99m TC E = 140 keV
Le photon diffusé à une énergie comprise entre 90 et 140 keV (rare).
Ainsi, si on représente le spectre des photons qui ont atteint le cristal, on va distinguer les
photons incident avec un pic centré sur 140 keV et un pic moins élevé et décalé vers les énergies les
plus faibles correspondant aux rayonnements diffusés.
Ainsi, on a plus qu'a sélectionné les photons qui ont une énergie supérieure à une valeur seuil.
Le sélecteur d'amplitude d'impulsions permet le rejet des photons diffusés dans les tissus.
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C. Formation de l'image
A chaque impact d'un photon γ au point (X, Y) du cristal, si
l'énergie est supérieur à l'énergie seuil, une impulsion est comptée
dans le pixel des coordonnées X, Y.
1. Valeur du pixel
La valeur du pixel est, en imagerie scintigraphique, un nombre qui va représenter le nombre
de photons γ émis parla structure que représente ce pixel et qui sont :
 Détectés par la γ caméra
 Acceptés par le sélecteur d'amplitude.
Cette valeur est codée par un niveau de gris ou une couleur.
2. Profondeur du pixel (ou résolution en intensité)
C'est la taille de mémoire nécessaire pour coder l'ensemble des valeurs que peut prendre un pixel.
Exemple :
 1 octets = 8 bits = 28 valeurs (256)
 12 bits = 212 valeurs (4096)
Plus la profondeur des pixels est grande, plus la taille mémoire va être grande.
Cette image est codée sur 8 bits. On ne peut pas faire de différence entre un pixel à 255 ou à 300.
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D. Modalités d'acquisition des images
1. Scintigraphies planaires
a. Acquisition statique
La tête de détection est immobile et centrée sur l'organe-cible.
La durée est de quelques minutes.
Exemple : Scintigraphie pulmonaire
b. Les acquisitions dynamiques
L'acquisition d'image démarre au moment de l'injection du radiopharmaceutique.
On réalise une série d'images de quelques secondes chacune
Exemple : Scintigraphie rénale
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c. Balayage corps entier
Les têtes de détections se déplacent à vitesse constante de la tête du patient à ses pieds.
Exemple : Scintigraphie osseuse
2. Les tomoscintigraphies γ
Ou TEMP (Tomoscintigraphie par Emission MonoPhotonique)
Ou SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography)
On a la représentation volumique d'un organe sous forme de coupes à partir de projections
obtenues sous un grand nombre d'incidence.
On a la rotation des tête(s) de détection autour du patient. Les caméras tournent,
enregistrent (30 secondes), tournent, enregistrent (30 secondes), … et ceci jusqu'à faire le tour du
patient.
Chaque incidence donne une image de projection 2D qui forme une matrice.
Dans chaque matrice, une ligne représente une projection d'un plan de coupe de l'organe
A partir de ces données "volumiques", on a une reconstruction des images de coupes.
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L'intérêt est d'augmenter la détectabilité des petites lésions hyper- ou hypoxifiantes
Elle est obligatoire pour le cœur et le cerveau.
Elle peut être intéressante en fonction des besoins pour les autres organes
E. Avances technologiques récentes
1. Les caméras "hybrides"
Ce sont des caméras qui font à la fois du TEMP et du TDM.
L'intérêt de ces caméras est d'avoir un repérage anatomique
grâce à la fusion des images TEMP et TDM.
Exemple :
Patient opéré d'une tumeur endocrine du pancréas. On réalise un contrôle à distance pour la
recherche de métastases.
Si on se contente d'une TEMP, on voit l'ombre de la vessie mais aussi deux hyperfixations.
Si on superpose les images de TDM, on aura une métastase du périnée d'un ganglion.
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2. Caméras à semi-conducteurs
a. Fonctionnement
Elles permettent une conversion directe de l'énergie des photons γ en charge électrique.
Quand un photon γ traverse le collimateur et frappe l'électrode, on a la création d'une paire
électrons/photons.
On aura en sortie un signal électrique dont l'intensité est proportionnelle à celle du photon incident.
On ne passe donc plus par le cristal à scintillation.
L'intérêt est d'avoir une meilleure résolution spatiale et une meilleure sensibilité.
b. Détecteurs de petites tailles
Néanmoins, comme le prix est cher, on a pu utiliser ces cristaux pour faire des détecteurs de
petites tailles
c. Gamma caméras "dédiée" à la tomoscintigraphie myocardique
On à 9 petits détecteurs accolés l'un à l'autre.
Cela permet d'avoir des images de meilleure qualité et de façon plus rapide.
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III. Imagerie par émetteur de positons
Ou TEP : Tomographie par Emission de Positons
Ou PET : Positons Emission Tomography
A. Principal radiopharmaceutique
Le FDG (Fluoro-Desoxy-Glucose) est le seul radiopharmaceutique actuellement utilisé en routine.
1. Pourquoi le déoxyglucose ?
a. Principe
Cette molécule, comme la molécule de glucose rentre dans la
cellule par diffusion passive mais aussi par transport actif (GLUT).
Cette molécule rentre dans le cycle de Krebs et devient le FDG6phosphate par action de l'hexokinase. Néanmoins, le FDG6phosphate n'est pas reconnu par la G-6-Phosphate isomérase pour la
suite du cycle de Krebs et reste bloquée dans la cellule.
Or dans les cellules malignes, on a une augmentation de la consommation de glucose mais
aussi de la synthèse de transporteurs GLUT-1. On a donc une hypercaptation du FDG par les cellules
malignes.
Attention, il existe un risque de faux négatif si le patient est en hyperglycémie.
b. Hypercaptation non tumorales
Il existe des hypercaptations physiologiques :





Le cerveau
Le myocarde
± Les intestins
± Les muscles
La vessie et les reins
Il existe aussi des hypercaptations pathologiques :
 Les sites inflammatoires
 Les infections
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2. Pourquoi le fluor 18 ?
La plupart des radioéléments β+ ont une période très courte :



15
O : 2 min
N : 10 min
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C : 20 min
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Leur utilisation n'est possible seulement qu'à proximité du site de production (cyclotron).
La période du fluor 18 est de 110 min.
B. Caméra à positons
1. Historique
En 1976, on a la première caméra à positon.
En 1978, on a la première caméra à positon en France à Orsay pour la recherche cérébrale.
En 1990, on a une évolution technologique permettant une sensibilité 5 fois meilleure. On pourra
s'attaquer à d'autres organes que le cerveau, notamment les tumeurs.
En 1999, on a la première caméra à positon utilisée en routine (à Lille)
2. Principe de la détection
a. Principe
Le principe de la détection est la "détection en coïncidence"
A chaque fois qu'il y a une désintégration du radioélément β+ on a l'émission de deux
photons γ de 511 keV chacun, émis à 180° l'un de l'autre.
Une impulsion est comptée quand 2 photons atteignent 2 détecteurs opposés en "même temps".
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b. Bloc-détecteur
Chaque bloc-détecteur est constitué :
 De petit cristaux, composés d'un matériau plus dense que le NaI (Car énergie plus fort de
511 keV).
 De quelques photomultiplicateurs
On a environ 50 couronnes accolées formant l'anneau de détection.
c. Collimateur
On a plus besoin de collimateur, on a une "collimation électronique". Il suffit de calculer
l'endroit de la source grâce à la direction de 180° des photons γ.
Cela va augmenter la sensibilisation de détection de la machine.
d. Problèmes
Néanmoins, il peut exister des coïncidences parasites :
Coincidence fortuite : 2 photons arrivent sur 2 détecteurs opposés alors qu'ils ne proviennent pas de
la même source. On a donc une erreur de la localisation de la source et donc une dégradation de la
résolution spatiale
Coïncidence diffusée : Un photon à fait une interaction Compton, il est donc diffusé. Cela va conduire
au fait que 2 détecteurs vont être atteint en même temps, créant une erreur de localisation de la
source.
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Le second problème est que le site de l'annihilation est différent du site de désintégration.
Ce qu'on repère sur l'image c'est là où a eu lieu l'annihilation et non là où a eu lieu la désintégration.
La distance entre ces deux lieux dépend de l'énergie du radioélément.
Pour le 18F : Pour une énergie moyenne de Eβmoyen = 0,25 MeV, il y aura une incertitude dmoyen de
0,6mm.
3. Acquisition des images
C'est une tomoscintigraphie.
On a une couronne de détecteur qui enregistre des coïncidences sous un grand nombre
d'incidences.
De plus, on a un déplacement du lit dans l'anneau de détection par pas d'environ 20 cm.
4. Représentation des images
a. Selon les 3 plans de coupe principaux
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b. MIP (Maximum Intensity Projection)
C'est un mode 3D transparent
5. La TEP-TDM
a. Généralités
Aujourd'hui toutes les machines TEP sont associées à des TDM.
La première machine dans le monde date de 1995 et de 2003 en France.
On a d'abord une acquisition TDM (environ 50 secondes, de la base du crâne à mi-cuisse)
puis une acquisition TEP (environ 3 minutes par pas de 20 cm).
b. Intérêt
L'intérêt est d'avoir un meilleur repérage anatomique grâce à la fusion des images TEP et TDM
Remarque : Les TDM couplés au TEP se font sans injection et à faible dose.
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c. Résolution spatiale
La résolution spatiale d'un TEP corps entier est de 4 mm (contre 7 pour un TEMP). Pour un
TEP cerveau, on descend même à 3mm.
Pour des micro-TEP on a une résolution spatiale inférieure à 2 mm. On remplace les
photomultiplicateurs par des photodiodes
d. Quantification de l'intensité de fixation
On peut quantifier la fixation du radiopharmaceutique. Cela grâce au SUV "Standard
Uptake Value".
SUV =
𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝑙𝑒 𝑣𝑜𝑥𝑒𝑙 (𝑘𝐵𝑞 / 𝑚𝑙)
𝐴𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡é 𝑖𝑛𝑗𝑒𝑐𝑡é𝑒(𝑘𝐵𝑞) / 𝑝𝑜𝑖𝑑𝑠 𝑝𝑎𝑡𝑖𝑒𝑛𝑡 (𝑔)
Cela équivaut à la valeur du pixel.
Quand on regarde l'image TEP on a une échelle de gris. Quand on fusionne le TEP et le TDM
on a la métabolisation en échelle de couleurs.
La quantification de l'intensité de fixation est importante car elle permet de déterminer un "seuil de
malignité" mais aussi d'avoir un suivi.
Remarque : Contrairement à la scintigraphie où on parle d'hyperfixation, en TEP-TDM on parle
d'hypermétabolisation.
C. Avancées récentes
1. Synchronisation respiratoire
On synchronise l'acquisition des images avec les mouvements respiratoires.
Les mouvements respiratoires entraînent un flou cinétique. Du coup, une lésion apparait
plus étendues et moins fixante.
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On peut donc avoir un risque de faux négatif mais aussi d'avoir une localisation incertaine sur
les images fusions TEP-TDM.
Exemple :
On a une zone hypermétabolique mais qui est d'une
localisation différente selon les images TDM et TEP
Pour corriger cela on pose un capteur de pression sur le creux épigastrique. On enregistre le
signal respiratoire pendant l'acquisition permettant de ne prendre les images qu'à un seul moment
de ce cycle respiratoire.
2. Reconstruction utilisant le "temps" de vol
Ou TOF (Time Of Fly)
Si la désintégration a lieu ailleurs qu'au milieu d'une structure homogène, les 2 photons ne
parcourent pas la même distance et n'arrivent donc pas en même temps sur la structure.
On va mesurer ce décalage temporel Δt = t2-t1 pour définir où se trouve le site de l'annihilation.
Le problème c'est que ce décalage est de quelques picosecondes, soit, indétectables par
l'électronique actuel.
On va injecter les données TOF dans les algorithmes de reconstruction classiques amenant à
une amélioration signal / bruit (obèse +++). On a une augmentation de la sensibilité et une
diminution de la durée d'acquisition.
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3. TEP-IRM
a. Avantages par rapport au TEP-TDM
Les avantages par rapport au TEP-TDM sont :
 Un meilleur contraste des tissus mous en IRM par rapport au TDM
 On peut utiliser les aspects fonctionnels de l'IRM (exploration cérébrale)
 On n'a pas de rayonnements ionisants
b. Problèmes techniques
Il n'y a pas beaucoup de place dans l'aimant de l'IRM pour les détecteurs TEP
Il y a des vibrations lors des acquisitions de séquences rapides IRM, ce qui est dangereux pour les
cristaux, très fragiles.
Les photomultiplicateurs sont sensibles au champ magnétique, on doit donc utiliser des photodiodes.
c. Imagerie pré-clinique
Il existe des machines pour des petits animaux (7 Tesla).
d. Imagerie clinique
Elle se développe notamment pour le cerveau, l'ORL, la prostate.
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