Combination of 18FDG-PET, 13C MRS and 31P MRS provides a

Qu’attendons-nous de la TEP-IRM ?
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CEA –
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Introduction
Pourquoi une TEP-IRM ?
• Indications croissantes de la TEP (oncologie, neurologie, infectieux,
inflammatoire, cardiologie… )
• Imagerie hybride TEP-TDM supérieure à la TEP : “Hybrid PET/CT improves
the diagnostic interpretation of 18F-FDG PET and CT in cancer patients and
has an impact on both diagnostic and therapeutic aspects of patient
management.”
• IRM>TDM… donc TEP-IRM>TEP-TDM ?
• La technologie a devancé la médecine : les indications/modalités de la
TEP-IRM restent à définir
Beyer et coll. J Nucl Med (2000) 41:1369-79
Bar-Shalom et coll. J Nucl Med (2003) 44:1200-9
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1. Qu’est-ce qu’une TEP-IRM ?
Approches séquentielle et simultanée
Evolutions hardware du côté de la TEP
Evolutions software du côté de l’IRM
2. Qu’en attendre en termes de qualité d’image ?
Sensibilité TEP améliorée
Quantification TEP fragilisée par la correction d’atténuation
Quantification TEP améliorée par la correction des mouvements ?
IRM dépendante du workflow
3. Qu’en attendre en termes diagnostiques ?
En oncologie
En neurologie
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Approches séquentielle et simultanées
Approche séquentielle
• Acquisitions TEP et IRM non simultanées
• Fusion TEP-IRM immédiate car position du patient sur le lit inchangée
entre les 2 examens
Antennes RMN pour l’IRM corps entier
Philips Ingenuity TF PET/MR
(début 2011)
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Approches séquentielle et simultanées
Approche simultanée
• Caméra TEP intégrée à l’IRM
• Acquisitions TEP et IRM « simultanées »
• Fusion TEP-IRM immédiate
Siemens Biograph mMR
(début 2011)
GE Signa PETMR
(2014)
Un système TEP-IRM simultané est un anneau TEP nouvelle génération
inséré dans une IRM peu ou pas modifiée.
Donc les évolutions hardware portent principalement sur la TEP
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Evolutions hardware du côté de la TEP
Détection en TEP
tube
PM

e- e+

cristal
scintillant

Détection des photons  par couplage : cristal /tube photomultiplicateur
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Evolutions hardware du côté de la TEP
Incompatibilité des tubes PM avec B0
Déviation des électrons (charge q) en mouvement (vitesse v) dans le tube
photomultiplicateur par la force de Lorentz :
0
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Evolutions hardware du côté de la TEP
Ecrantage des tubes PM pour l’approche séquentielle
• Éloignement entre la TEP et l’IRM (~4m)
• Écrantage magnétique par de l’acier :
- couvercle arrière de la TEP :
- tubes PM :
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Evolutions hardware du côté de la TEP
Diodes PM pour l’approche simultanée
• Incompatibilité des tubes PM car :
- Écrantage des tubes PM impossible au cœur de l’IRM
- Encombrement géométrique des tubes PM incompatible avec l’IRM
• Alternative au tube PM compatible avec l’IRM : photodiode (= diode PM)
refroidissement
photodiode
- Compacité
- Gain dépendant de la température, refroidissement nécessaire
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Evolutions hardware du côté de la TEP
Diodes PM pour l’approche simultanée
• Contrôle de la température des photodiodes nécessaire car élévation de
température due au tunnel de gradient de l’IRM
• Contrôle par :
- Refroidissement à l’eau (18 degrés)
- Correction en temps réel du gain par mesure de la
température des photodiodes (refroidissement imparfait)
• Gain des photodiodes sans et avec
correction pendant l’utilisation de l’IRM
(ordre de grandeur des variations sans
correction ~10%) :
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Evolutions software du côté de l’IRM
Séquences IRM pour la correction de l’atténuation
• Intérêt de la TEP : quantification du métabolisme (SUV)
• Atténuation des photons par les tissus biologiques
• Nécessité de corriger les images de l’atténuation, donc de déterminer le
coefficient d’atténuation en chaque point du patient
• En TEP-TDM : conversion directe des UH (atténuation des photons X) en
coefficients d’atténuation des photons  (relation linéaire par morceaux)
TDM
TEP non corrigée
TEP corrigée
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Evolutions software du côté de l’IRM
Séquences IRM pour la correction de l’atténuation
• Les principaux déterminants de l’atténuation des photons sont :
- la densité
- le numéro atomique Z
• L’IRM détecte la densité des atomes d’hydrogène 1H (Z=1), donc
l’atténuation ne peut pas être calculée à partir du signal IRM.
 Estimation par segmentation du corps en classes de tissus et attribution
d’un coefficient d’atténuation prédéfini à chaque classe
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Evolutions software du côté de l’IRM
Séquences IRM pour la correction de l’atténuation
1. IRM Dixon 2 pts
2. Segmentation
en 4 classes de tissu
Eau
Graisse
In phase
seuillage
 Eau
seuillage
 Graisse
analyse en
composantes connexes
 Poumons + Air
3. Attribution d’un  prédéfini
à chaque classe de tissu
Hofmann et coll, J Nucl Med (2008) 49:1875–1883
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1. Qu’est-ce qu’une TEP-IRM ?
Approches séquentielle et simultanée
Evolutions hardware du côté de la TEP
Evolutions software du côté de l’IRM
2. Qu’en attendre en termes de qualité d’image ?
Sensibilité TEP améliorée
Quantification TEP fragilisée par la correction d’atténuation
Quantification TEP améliorée par la correction des mouvements ?
IRM dépendante du workflow
3. Qu’en attendre en termes diagnostiques ?
En oncologie
En neurologie
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Sensibilité TEP améliorée
Amélioration du rendement géométrique
• Sensibilité de détection en TEP proportionnelle au
rgéo cad à l’angle solide de détection :
z
• Modification de la géométrie de l’anneau
TEP pour la TEP-IRM simultanée :
- réduction du diamètre de l’anneau TEP
de ~80cm à ~60cm
z
- allongement de l’anneau TEP (selon z)
de ~15cm à ~25cm
Queiroz et coll, PLOS One (2015) 10(7): e0128842
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Sensibilité TEP améliorée
Amélioration du couplage cristal/photodiode
Compacité des diodes PM par rapport aux tubes PM
-> meilleur couplage cristal/PM
~1 tube PM pour 4x4 cristaux
1 diode PM pour 2x2 cristaux
voire 1 diode PM pour 1 cristal
Amélioration du rendement géométrique et du couplage cristal/PM
 sensibilité TEP (kcps/MBq) ~doublée
Queiroz et coll, PLOS One (2015) 10(7): e0128842
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Quantification TEP fragilisée par la correction d’atténuation
Limitations de la correction par IRM Dixon
Atténuation
IRM Dixon
Atténuation
TDM
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Quantification TEP fragilisée par la correction d’atténuation
Limitations de la correction par IRM Dixon
Absence de segmentation de l’os
 erreur sur la SUV osseuse (~30%)
 erreur sur la SUV des tissus mous adjacents
 erreur critique au niveau cérébral (~20%)
Hofmann et col. Eur J Nucl Med Mol Imaging. (2009) 36:93–104
Samarin et coll, Eur J Nucl Med Mol Imaging (2012) 39:1154-1160
Akbarzadeh et coll, Ann Nucl Med. (2013) 27:152-162
Dickson et coll, Eur J Nuc Med Mol Imaging (2014) 41:1176-1189
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Quantification TEP fragilisée par la correction d’atténuation
Correction de l’atténuation crânienne par atlas IRM-TDM
Principe de la correction
1. Constitution d’un atlas IRMT1-TDM sur N sujets sains
2. Pour chaque patient :
- recalage élastique des N IRMT1 sur l’IRMT1 du patient
- mêmes déformations élastiques appliquées aux N TDM de la base
- PseudoTDM = moyenne des N TDM déformées
Limitation
Variabilité inter-individuelle non prise en compte
Hofmann et coll, J Nucl Med (2008) 49:1875–1883
Rota et coll, IEEE Nucl Sci Conf R (2008) 3786–3789
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Quantification TEP fragilisée par la correction d’atténuation
Détection de l’os cortical par IRM
Les 1H de l’os cortical
Os cortical = cristaux d’hydroxyapatite + collagène + pores acqueux
pas de 1H
1H
1H de l’eau
du collagène
1H de l’eau liée au collagène
T2 des 1H de l’os cortical
T2 (s) à 1,5T
IRMconv
TE>5ms
tissus mous
eau des pores
eau liée au collagène
1H du collagène
mobilité moléculaire
Seifert et coll, Curr Osteoporos Rep. 2016 Jun;14(3):77-86
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Quantification TEP fragilisée par la correction d’atténuation
Détection de l’os cortical par IRM
-> Les 1H de l’os cortical ne sont pas vus en IRM conventionnelle.
-> En IRM conventionnelle : os cortical = air
Wagenknecht et coll, Magn Reson Mater Phy (2013) 26:99–113
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Quantification TEP fragilisée par la correction d’atténuation
Détection de l’os cortical par IRM
Intérêt des séquences à TE court :
• UTE (Ultrashort TE) : TEmin~100µs
• ZTE (Zero TE) : TEmin~qques µs
T2 (s) à 1,5T
IRMconv
ZTE
TE~0
UTE
TE>0,1ms
TE>5ms
tissus mous
eau des pores
eau liée au collagène
H du collagène
mobilité moléculaire
Seifert et coll, Curr Osteoporos Rep. 2016 Jun;14(3):77-86
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Quantification TEP fragilisée par la correction d’atténuation
Détection de l’os cortical par IRM
ky
Rappel : la séquence d’écho de gradient :
RF
Gcoupe
kx
Glect.(X)
Gphase(Y)
ky
 Séquence UTE :
RF
Gcoupe
kx
Glect.
 balayage radial du plan de Fourier
Bergin et coll, Radiology (1991) 179:777-781
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Quantification TEP fragilisée par la correction d’atténuation
Détection de l’os cortical par IRM
ky
Séquence UTE :
RF
Gcoupe
kx
Glect.
 Séquence ZTE :
RF
Glect.
Hafner, Magn Reson Imaging (1994) 12:1047-51
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Quantification TEP fragilisée par la correction d’atténuation
Détection de l’os cortical par IRM
Comparaison IRM conventionnelle / UTE
IRMconv (TE = 4 ms)
UTE (TE = 70 µs)
Catana et coll, J Nucl Med (2010) 51:1431–1438
Keerman et coll, J Nucl Med (2010) 51:812–818
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Quantif. TEP améliorée par la correction des mouvements ?
Artéfacts de mouvement en TEP
• Mouvements respiratoires à l’échelle de la TEP (>2min/pas)
• Effet sur la quantification en TEP :
- étalement des foyers hypermétaboliques
- erreur de correction d’atténuation (aux interfaces tissulaires)
- critique au niveau pulmonaire et hépatique
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Quantif. TEP améliorée par la correction des mouvements ?
Artéfacts de mouvement en TEP
Stratégies de limitation des artefacts de mouvement en TEP/TDM :
• acquisition synchronisée retenant 1 ou quelques phases du mouvement
périodique (mais perte de sensibilité)
• estimation du champ de déplacement à partir des données TEP
synchronisées (mais fixation intense nécessaire)
Intérêt de l’IRM pour l’estimation du champ de déplacement :
• acquisitions à différents cycles (non ionisantes)
• séquences IRM sensibles aux déplacements
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Quantif. TEP améliorée par la correction des mouvements ?
Correction des mouvements respiratoires par IRM
Séquences IRM :
• coupes sagittales en écho de gradient rapide avec ou sans tagging
• écho navigateur
• acquisition dédiée insérée dans les séquences diagnostiques
• estimation du champ de déplacement par recalage non rigide
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Quantif. TEP améliorée par la correction des mouvements ?
Correction des mouvements respiratoires par IRM
Illustration pour la quantification d’une tumeur pulmonaire en 18F-FDG
(coupe TEP sagittale) :
Non corr. Synchro. Corrigé par
IRM
Tacq
Tacqx5
Tacq
Correction pas encore implémentée en routine
Würslin et coll, J Nucl Med (2013) 54: 464-471
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IRM dépendante du workflow
Qualité d’image des IRM
La TEP-IRM simultanée est une IRM 3T dans laquelle une couronne TEP
modifiée est insérée  IRM de qualité identique à une IRM 3T clinique
Workflow en TEP-IRM
Workflow = enchaînement des pas d’acquisition TEP et des séquences IRM
L’optimisation du workflow est une problématique propre à la TEP-IRM car:
• l’IRM offre un très large choix de séquences, contrairement à la TDM ;
• l’IRM est une modalité performante localement (protocoles spécifiques
d’organes, indications de l’IRM CE marginales), contrairement à la TDM ;
• les protocoles IRM pertinents pour le diagnostic oncologique ont une
mauvaise résolution temporelle (env. 20min vs 2min par pas en TEP).
Question du workflow cruciale en routine clinique :
• rapport coût-efficacité par rapport à TEP-TDM et à TEP + IRM séparées
• nécessité de maximiser le temps d’acquisition simultané
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IRM dépendante du workflow
Stratégies d’optimisation du workflow en PET-IRM
Workflow type
- 4 à 6 pas d’acquisition TEP de 2min
- à chaque pas de 2min : - pré-scan IRM (shim et ajustement de f0)
- IRM Dixon 2 points (~1min)
- Ajout de séquences IRM dédiées :
après la TEP (plus simple)
OU
pendant la TEP (simultané)
Von Schulthess et coll, J Nucl Med (2014) 55:1-6
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IRM dépendante du workflow
Stratégies d’optimisation du workflow en PET-IRM
Optimisation du workflow par :
- Protocoles IRM orientés par l’indication
ex : IRM cérébrale + IRM synchro pulmonaire dans CBP
- Sélection des séquences IRM les plus pertinentes
ex : « rule-out brain metastasis protocol » : T2-FLAIR et T1-Gd
Von Schulthess et coll, J Nucl Med (2014) 55:1-6
Queiroz et coll, Eur J Nucl Med Mol Imaging (2014) 41:2212-21
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1. Qu’est-ce qu’une TEP-IRM ?
Approches séquentielle et simultanée
Evolutions hardware du côté de la TEP
Evolutions software du côté de l’IRM
2. Qu’en attendre en termes de qualité d’image ?
Sensibilité TEP améliorée
Quantification TEP fragilisée par la correction d’atténuation
Quantification TEP améliorée par la correction des mouvements ?
IRM dépendante du workflow
3. Qu’en attendre en termes diagnostiques ?
En oncologie
En neurologie
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Qu’attendre de la TEP-IRM en termes diagnostiques ?
TEP-IRM vs TEP-TDM en oncologie
• Nombreuses études comparatives sur des petites séries de patients
• Quelques méta-analyses depuis 2014 :
(Czernin et al, J Nucl Med 2014)
(Spick et al, J Nucl Med 2016)
(Riola-Parada et al, Rev Esp Med Nucl Imag Mol 2016)
-> performances comparables sauf pour :
- lésions prostatiques et osseuses : TEP-IRM>TEP-TDM
- lésions pulmonaires : TEP-IRM<TEP-TDM
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Qu’attendre de la TEP-IRM en termes diagnostiques
TEP-IRM vs TEP-TDM en oncologie
Difficuté de comparer rigoureusement les 2 techniques :
- absence de protocole IRM standardisé pour la TEP-IRM
- sensibilité /résolution TEP très améliorée sur les TEP- IRM
TEP-IRM en neurologie
Intérêt du recalage plus précis et/ou de la simultanéité TEP-IRM :
- Bilan pré-chirurgical des épilepsies focales pharmacorésistantes avec
colocalisation par IRM de perfusion
(Galazzot, NeuroImage Clin 2016)
En oncologie comme en neurologie : intérêt de la double lecture simultanée
radiologue/médecin nucléaire
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