la medecine nucleaire

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
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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.
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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)
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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
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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.
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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
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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)
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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
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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
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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. »
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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
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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
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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 ! »
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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. »
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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.
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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. »
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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.
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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.
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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
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« 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
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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
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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. »
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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).
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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
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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…
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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.
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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. »
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Scinti tomographique cérébrale
Etude de la cinétique ventriculaire gauche
par tomographie synchronisée à l'ECG
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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« 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.
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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...
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