Correction de l`atténuation des photons en TEP à partir de données

La correction d’atténuation
des images de Tomographie
par Émission de Positons (TEP)
utilisant les images de
Tomodensitométrie (TDM)
Guillaume BONNIAUD
Service de Physique - Institut Gustave ROUSSY
1- La Tomographie par Émission de
Positons (TEP) : qu’est-ce que ?
NP = Nsource.exp[-  µ(L).dL]
?
2- Un biais de détection
en TEP : l’atténuation
3- La Correction d’Atténuation
(CA) en TEP à partir des images
de Tomodensitométrie (TDM)
4- La TEP, le TDM et la CA
en pratique clinique
1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP)
• La TEP est une modalité d’imagerie fonctionnelle
 Imagerie fonctionnelle : imagerie permettant l’analyse de la
fonction des organes par la détection d’une molécule marquée
(traceur radioactif), caractéristique de la fonction à étudier,
administrée à l’organisme.
 La TEP en cancérologie:
Fonction : activité tumorale et
métastatique
=> La cellule cancéreuse consomme
plus de glucose que les autres cellules
Injection d’un
radiotraceur
émetteur de
positons
Molécule marquée : analogue du glucose
marqué par un émetteur de positons, le
18F-Fluoro-déoxyglucose (18FDG)
Détection : caméra dédiée à la
détection des positons
1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP)
• Principe de la détection en TEP (1)
 L’émission de positons (+)
Injection d’un
radiotraceur
émetteur +
1. Émission du positon
2. Thermalisation (interaction
positon - matière) sur
quelques mm
3. Annihilation (interaction
positon thermalisé – électrons
des couches supérieures de la
matière)
Fixation de +
Photon de 511keV
Photon de 511keV
4. Émission de 2 photons
de 511keV en opposition
(180  0,3°)
Ce sont les photons
d’annihilation qui vont être
détectés
1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP)
• Principe de la détection en TEP (2)
 La détection des photons d’annihilation
Ligne de
coïncidence
=
Fenêtre
temporelle
(quelques ns)
Anneau de
détection
Injection d’un
radiotraceur
émetteur +
Ligne de
Réponse
(LOR)
+
Ligne de coïncidence
fenêtre spectrale
(350 à 650 keV)
Chaque LOR contient le nombre de positons émis sur
cette ligne
Émission en opposition des 2 photons d’annihilation
Détection en coïncidence de lignes de réponse (LOR)
1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP)
• Principe de la détection en TEP (3)
 Représentation graphique de la détection en coïncidence : le
sinogramme
Anneau de
détection

Sinogramme


Ligne de
Réponse
(LOR)
R
Ligne de coïncidence
1 pixel = N (nombre
de coïncidences)
Sinogramme : 1 point représente une LOR
r
1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP)
• Reconstruction des images TEP
LOR2
Anneau de
détection
 Acquisition de Lignes de Réponse
(LOR) : LOR1, LOR2, LOR3, …
(chaque LOR contient le nombre de
positons émis sur cette ligne)
LOR4
LOR1
LOR3
 Les algorithmes de reconstruction
d’images restituent, à partir de
l’ensemble des LOR acquises, la
distribution 3D des émissions de
positons dans le champ de vue de la
caméra TEP
Deux types d’algorithmes de reconstruction d’images :
reconstructions analytiques / itératives
Visualisation de la reconstruction
sous forme d’images transverses,
sagittales et coronales
1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP)
• Limitations de la technique de détection en TEP
 Détection de coïncidences :

Diffusées

Fortuites
L’émission de positon
n’est pas sur la LOR
détectée = bruit
Coïncidences « vraies » (signal)
~ 1% des coïncidences détectées en 3D
Anneau de
détection
 Résolution spatiale finie des détecteurs
 Atténuation des photons d’annihilation dans le patient
2- L’atténuation en TEP
• L’atténuation en TEP (1) :
 Atténuation des photons d’annihilation (511 keV)
Anneau de
détection
Ligne de
Réponse
(LOR)

Ligne de coïncidence
L’atténuation en TEP :
- Ne dépend pas du lieu d’émission sur la LOR à l’intérieur de l’objet ;
- Dépend uniquement de la densité du milieu atténuant sur la LOR.
2- L’atténuation en TEP
• L’atténuation en TEP (2) :
 Influence sur la détection

Sinogramme

R
Ligne de coïncidence
Nthéorique =  n(L).dL
r
1 pixel = N (nombre
de coïncidences)
avec L = LOR
Nmesuré =  n(L)affecté par l’atténuation.dL
avec L = LOR
2- L’atténuation en TEP
• Conséquences (1) :
 Perte de signal => évènements non détectés
Objet
homogène
Nombre d’émission
de postions
Profil transverse
Image
Nombre d’émission
de postions
Profil transverse
2- L’atténuation en TEP
• Conséquences (2) :
 Quantification erronée
=> erreur dans la restitution du nombre d’émissions
de positons de l’objet dans l’image
 Atténuation inégale suivant la profondeur
=> détection des lésions profondes difficile
Image TEP
transverse non
corrigée de
l’atténuation
Comment va-t-on corriger les images TEP de
l’atténuation des photons d’annihilation ?
3- La Correction d’Atténuation (CA) en TEP
• Comment corriger de l’atténuation ?
 Solution théorique exacte
N =  n(L).FCA.dL avec FCA = Exp (µ(L).dL)
(L = LOR)
=> Pondération des projections par un Facteur de Correction
d’Atténuation (FCA)
 Détermination du FCA
Le calcul du FCA nécessite la connaissance de la cartographie 3D
des coefficients d’atténuation
=> Utilisation du TDM
(Tomodensitomètre ou
scanner à RX)
3- La CA en TEP utilisant les images TDM
• Problèmes
 Les rayons X utilisés en TDM sont émis suivant un spectre
continu de rayonnement de freinage (40-140 keV) alors que les
photons d’annihilation des positons sont mono-énergétiques
(511 keV).

L’énergie de ces deux rayonnements est différente
Signal relatif
50
100
200
300
400
500
Energie (keV)
Relation non linéaire des coefficients d’atténuation entre 70
et 511 keV

Retrouver la cartographie 3D des coefficients d’atténuation à 511keV
nécessite une conversion des coefficients d’atténuation du TDM
3- La CA en TEP utilisant les images TDM
• La conversion des coefficients d’atténuation
Définition d’une énergie effective du faisceau de rayons X
utilisé en TDM (Eeff  70 keV)


Conversion de 70 à 511 keV par segmentation des images TDM
511 keV
µpoumons
70 keV
µpoumons
µtissus mous
µtissus mous
µos
µos
Segmentation
Conversion
µ70keV => µ511keV
3- La CA en TEP utilisant les images TDM
• Synthèse
Images TDM
(Eeff =70keV)
reformatage
Sinogrammes
TDM
(Eeff =70keV)
Conversion
Images
TEP CA
Algorithme de
reconstruction
x
Sinogrammes
TDM (E=511keV)
Sinogrammes
TEP non CA
Intégration
Sinogrammes
TEP CA
3- La CA en TEP utilisant les images TDM
• Résultats
Qualitatif : CA induit diminution du
contraste/amélioration de la détection


Quantitatif : CA par TDM « robuste »

Exemple :
Non
corrigée
Corrigée
Coupe
Coupetransverse
sagittale
coronale
CA des images TEP
par TDM adoptée en
clinique
4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique
• La TEP en pratique clinique
 Déroulement d’un examen :

Injection du 18FDG (à jeun)

Repos de 45 minutes au minimum

Examen TEP (45 minutes environ)
 La lecture des images TEP : recherche des hyperfixations
pathologiques
 La CA utilisant le TDM impose la meilleur concordance possible
entre la position du patient pendant l’examen TEP et l’examen TDM
=> machines hybrides : TEP et TDM couplés
4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique
• A quoi ressemble une caméra TEP-TDM ?
 Le TEP-TDM Biograph de Siemens
4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique
• Le TEP-TDM en clinique :
 La fusion d’image : TEP-TDM
Meilleure localisation
anatomique des zones
d’hyperfixation
pathologiques
TDM : information anatomique
TEP : information fonctionnelle
TEP – TDM : information
anatomique ET fonctionnelle
4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique
• Le TEP-TDM en clinique :
 La correction d’atténuation utilisant les images TDM
Artefacts de corrections possibles (Produit de contraste/Prothèses)
Conclusion
 Avantages/Inconvénients de la CA des images TEP
utilisant les images TDM :
I
Le TDM est une modalité d’imagerie irradiante (dose au
patient)
Les éventuels artefacts du TDM peuvent se propager dans
les images TEP corrigées de l’atténuation
L’acquisition des images de TDM est rapide
A
Les images TDM apportent une information anatomique
importante
 Le but de ma thèse : évaluer l’impact de la statistique des
images TDM sur la détectabilité en TEP corrigée de l’atténuation
Remerciements
 Bernard AUBERT
 Jérémy COULOT
 Frédéric LAVIELLE
 Marcel RICARD