Annexe B. La Tomographie par Émission de Positon (TEP)

Annexe B: Imagerie TEP
Annexe B. La Tomographie par Émission de
Positon (TEP)
B.1 Introduction
La Tomographie par Émission de Positon (TEP) est une technique d’imagerie
médicale qui repose sur la détection des photons d’annihilation γ produits en coïncidence lors
d’une désintégration β+ dans la matière, après injection d’une molécule traceur (faiblement
radioactif) d’un métabolisme ou d’une fonction, associée à un isotope émetteur de positons.
Cette technique permet d’étudier les voies méthaboliques. Ainsi, l’analyse du métabolisme du
glucose chez un patient est réalisée en TEP avec injection en intraveineuse de [18F]-
flurodéoxyglucoce (en abrégé [18F]-FDG). Ce traceur est semblable au glucose (sucres) : il se
fixe au niveau des tissus qui utilisent beaucoup de glucose comme les tissus cancéreux ou le
muscle cardiaque ou encore le cerveau, pour émettre de façon temporaire des rayonnements
que l’on peut détecter dans l’organisme du patient grâce à une caméra spéciale TEP. Une
caméra TEP est un appareil qui a l’aspect d’un tomodensitomètre à rayons X ou d'une IRM,
mais son principe de fonctionnement est différent. Le principe de fonctionnement repose sur
le fait que le positon émis par le produit radioactif s'annihile avec un électron, après un court
parcours. Cette annihilation produit simultanément deux photons qui partent en directions
opposées. Des capteurs situés tout autour du patient détectent ces photons dit ‘de coïncidence’
et un système informatique reconstruit des images de la répartition du traceur au niveau d’une
partie ou de la totalité du corps, en 3 dimensions. Il existe aussi, des caméras TEP couplées à
un tomodensitomètre à rayons X, ce qui permet de superposer l'activité métabolique d'un tissu
(Image TEP) à sa localisation dans le corps, de mieux visualiser les organes sur lesquels sont
localisées les anomalies repérées par la scintigraphie. La TEP est un examen d’imagerie qui
permet d’obtenir des images du fonctionnement des organes, des tissus ou des cellules, et leur
activité. C’est la raison pour laquelle, on parle d’imagerie fonctionnelle. Le service dans
lequel sont réalisées les examens en tomographie par émission de positon est le service de
médecine nucléaire.
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B.2 Principe Physique de la TEP
B.2.1 Émission de positon
L’existence du positon a été avancée pour la première fois par Dirac, à la fin des
années 20, et prouvée expérimentalement en 1932. Le positon est l’antiparticule de l’électron
et possède la même masse et une charge opposée. L’émission d’un positon e+ par un atome
entraîne pour ce dernier la perte d’un proton et le gain d’un neutron et conduit également à
l’émission d’un neutrino :
veXX N
A
Z
N
A
Z++→ +
+− 11
La masse du neutrino étant très faible, il interagit peu avec les autres particules.
Cependant sa présence induit une variabilité de l’énergie du positon émis, contrairement à
l’émission γ d’énergie fixe pour un radionucléide donné. Les isotopes les plus communs en
TEP sont présentés dans le tableau suivant :
Isotope C11 N13 O15 F18
Demi-vie (minute) 20 9.97 2.1 110
Énergie cinétique la plus probable (MeV) 0.39 0.49 0.73 0.25
Libre parcours moyen dans l’eau (mm) 1.1 1.5 2.7 0.6
Fraction de branchement (%) 99.8 99.8 99.9 96.7
Figure B-1. Caractéristiques physiques des principaux émetteurs de positon utilisés en TEP
B.2.2 Annihilation de positons
Les noyaux émetteurs de positons ont un excès de protons par rapport à leur nombre
de neutrons et reviennent à un état stable par la perte d’énergie en ionisation et excitation des
molécules et atomes voisins. Après avoir perdu suffisamment d’énergie sur une distance de
l’ordre de millimètre (selon l’énergie initiale), le positon s’annihile avec un électron
voisin Les collisions matière/antimatière entraîne la disparition des deux particules et
l’apparition de deux photons γ emportent l’énergie totale du système:
γγ +→+ −+ ee
L’énergie totale d’une particule se décompose en son énergie cinétique liée à sa
vitesse et son énergie de repos liée à sa masse. Deux photons γ de 511 keV sont alors émis
dans des directions opposées (Figure B-2 (a)). Ce sont ces photons de 511 keV qui sont à
l'origine du signal détecté. Le lieu d’émission du positon et le point d’annihilation ne sont pas
confondus : la distance moyenne qui les sépare dépend de l’énergie cinétique des positons au
moment de leur émission (Figure B-1) et limite la résolution spatiale qui peut être obtenue.
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Dans le processus d’annihilation, l’énergie provient presque exclusivement des masses de
l’électron et du positon, ceux-ci étant quasiment au repos lors de l’interaction.
B.2.3 Détection en coïncidence
Environ 40% des photons de 511 keV s’échappent du corps sans avoir interagi et sont
détectés par des détecteurs situés autour du patient. Pour recueillir le maximum de paires de
photons gamma, la caméra TEP est formée de plusieurs couronnes de blocs détecteurs (Figure
B-2 (b)). Ces couronnes délimitent un cylindre de détection sur un champ de vue d'une
quinzaine de centimètres. Les blocs détecteurs sont constitués de cristaux scintillateurs ayant
la capacité d'émettre un photon γ secondaire lors de l'absorption d'un photon gamma de 511
keV. Ce photon secondaire est peu énergétique et est dans le domaine du visible. Ce faible
signal lumineux est amplifié par photomultiplication et converti en signal électrique et peut
alors être traité de manière électronique. Si un photon γ est également détecté sur un autre
cristal dans un intervalle de temps de quelques nanosecondes (appelé fenêtre de coïncidence),
la caméra considère ces deux signaux comme étant la conséquence d'une annihilation d'un
positon et d'un électron. La détection de ces deux photons gamma est appelée coïncidence.
Les deux photons gamma ont donc parcouru une droite et ont fini leur course sur les cristaux
scintillateurs. Le segment de droite reliant deux cristaux scintillateurs en vis-à-vis est appelé
ligne de réponse. Le comptage des coïncidences permet de connaître l’intégrale de
radioactivité présente sur la ligne de réponse considérée.
B.2.4 Projections
L’acquisition TEP consiste à compter le nombre de fois où chaque paire de détecteurs
est atteint en coïncidence. Pour un anneau de n cristaux, il y a n²/2 façon d’apparier les
détecteurs, ce qui donne un ordre d’idée de la masse considérable d’information recueillie. La
collecte de tous ces événements sur les lignes de réponses liant les milliers de cristaux du
système de détection de la caméra TEP (18 432 cristaux pour une caméra ECAT HR+)
constitue l'information brute que l'on enregistre dans des fichiers appelé sinogrammes. Un
sinogramme est une matrice dont la ième ligne correspond au ième angle d'acquisition, les pixels
de cette ligne contenant le nombre de coïncidences de chaque ligne de réponse en 2D,
perpendiculaire à cette direction. Toute l'information peut être représentée par un sinogramme
sur 180°.
La connaissance des désintégrations sur chaque ligne de réponse revient à connaître
les projections de l'image selon un grand nombre d’orientations. De ces projections, on peut
reconstruire l'image de la distribution spatiale de la radioactivité qui a été mesurée. On passe
donc, à l'aide d'algorithmes de reconstruction (par exemple de rétroprojection filtrée), des
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sinogrammes à des coupes jointives décrivant un volume, chaque pixel de ces images
représentant la mesure locale de radioactivité sur la durée de l'acquisition.
(a)
(b)
Figure B-2. (a) Annihilation électron/positon, (b) Détection en coïncidence des photons
B.2.5 Facteurs de dégradation des images
B.2.5.1 Diffusé
La diffusion des photons en TEP conduit à deux types d'erreur de localisation de
l'annihilation. Si l'un des photons est dévié de sa trajectoire initiale par interaction Compton
avant de sortir du patient, il sera capté par un cristal autre que celui attendu pour l'impact
initial, appartenant au même plan de coupe ou à d'autres plans de coupe ce qui conduit à des
lignes de réponse virtuelles (Figure B-3). Il est possible de réduire la diffusion "extra-groupe"
par l'utilisation de septa en plomb ou en tungstène qui éliminent géométriquement les
radiations extérieures au champ de vue de l'anneau détecteur. Ces septa agissent comme les
collimateurs d'une gamma-caméra et permettent de réduire le diffusé de 30 à 50% au prix
d'une nette diminution de la sensibilité de la caméra. En pratique, le diffusé est estimé à partir
de la radioactivité détectée en dehors de l'objet émetteur ou par simulation à partir d’une
mesure de transmission.
Figure B-3. Coïncidences fortuite et diffusée
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B.2.5.2 Absorption
En TEP, les deux photons doivent quitter le corps du patient sans être absorbés pour
être détectés. L'effet le plus évident de l'absorption est la diminution du nombre de coups
captés, ce qui limite la précision de la quantification de la densité radioactive. Il faut
également tenir compte d'une non-uniformité du signal, le milieu du corps ayant une
probabilité plus grande d'être atténué. Cependant, la mesure de l'absorption est indépendante
de la profondeur de l'émission. Généralement, on mesure l'absorption des tissus par
l'acquisition préalable d'une image en transmission, obtenue à partir de la rotation d’une
source de rayonnement de 511KeV autour du patient.
B.2.5.3 Coïncidences fortuites
Comme l'annihilation a rarement lieu exactement au centre du champ de vue, les
photons peuvent ne pas arriver tout à fait en même temps sur les détecteurs. Il n'existe pas de
détecteur capable d'avoir la résolution temporelle nécessaire à l'estimation du délai d'arrivée
entre deux photons gamma (ce délai est de quelques centaines de picosecondes). Le choix de
la fenêtre de coïncidence implique un compromis entre le comptage de toutes les coïncidences
vraies et le comptage des coïncidences fortuites. Ces dernières concernent deux photons qui
ne sont pas issus de la même annihilation (Figure B-3). Les coïncidences fortuites augmentent
le bruit de fond de l'image, notamment en acquisition 3D, avec acceptation de toutes les lignes
de réponse. Elles sont proportionnelles au carré de l'activité visible par le système de
détection. Les coïncidences fortuites sont estimées en comptant pour chaque ligne de réponse
le nombre de coïncidences observées dans une fenêtre temporelle décalée.
B.2.5.4 Temps mort du cristal
Du fait de la durée de scintillation d'un cristal, de la bande passante du système
électronique de détection et du tri des coïncidences, les détecteurs TEP possèdent un temps
mort fonction du taux d'événements simples arrivant sur le système. Ce temps mort peut
atteindre 30 à 60% en début d'acquisition.
Le nombre de coups mesurés M contient une proportion d’évènements diffusés D et
d’évènement fortuits F augmentant le bruit global de l'image. Les méthodes de correction
permettent de retrouver les évènements vrais V:
V=M – D - F
Mais à V constant, il est préférable d'avoir D et F faibles dès l'acquisition plutôt que de
recourir à une correction a posteriori avec D et F élevés.
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