De la physique nucléaire à l`imagerie médicale Enjeux et Perspectives
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De la physique nucléaire à l’imagerie médicale Enjeux et Perspectives CEA/DSV/DRM/SHFJ Sébastien Jan 11/02/2005 1 Plan ¾ L’imagerie multimodalité Imagerie morphologique et imagerie fonctionnelle La Tomographie à Émission de Positons (TEP) La quantification en TEP ¾ De l’imagerie du petit animal à l’imagerie de l’homme Les objectifs biologiques & La problématique des physiciens La Plate forme du CEA/SHFJ ¾ Enjeux et Perspectives 11/02/2005 2 Plan ¾ L’imagerie multimodalité Imagerie morphologique et imagerie fonctionnelle La Tomographie à Émission de Positons (TEP) La quantification en TEP ¾ De l’imagerie du petit animal à l’imagerie de l’homme ¾ Enjeux et Perspectives 11/02/2005 3 Technique d’observation et d’imagerie In Vivo Morphologique Fonctionnelle Champ Électrique : Électroencéphalogramme Ultra sons : Échographie Rayons X : Tomodensitométrie par Rayons X Champ Magnétique : Magnéto-encéphalogramme Densité de protons : Imagerie par Résonnance Magnétique IRM Traceurs radioactifs : Tomographie à Émission Mono-Photonique (TEMP) Tomographie à Émission de Positons (TEP) 11/02/2005 4 Technique d’observation et d’imagerie In Vivo Fonctionnelle Morphologique TEP IRM Biochimique Densité de protons 1,5 à 5 mm Scanner X Densité des tissus 50 µm à 1 mm 11/02/2005 5 Imagerie fonctionnelle et imagerie morphologique Application Imagerie corps entier Information Morphologique Tomodensitométrie par Rayons X Information Fonctionnelle Imagerie par Tomographie à Emission de Positons Multimodalité Fusion Scanner X + TEP Maximisation de la détectabilité tumorale 11/02/2005 6 Imagerie fonctionnelle et imagerie morphologique Application Imagerie cérébrale 1 information morphologique : IRM 2 informations fonctionnelles : TEP synthèse de la dopamine métabolisme du glucose 11/02/2005 7 Imagerie Nucléaire Imagerie fonctionnelle : information biochimique • Injection d’un traceur d’un phénomène biochimique • Traceur marqué avec isotope radioactif • Suivi du devenir du traceur marqué dans les organes par détection du marqueur radioactif à l’extérieur du patient : imagerie d’émission TEP TEMP Tomographie par émission de positons Scintigraphie ou Tomographie monophotonique Emetteur γ * * * Emetteur β+ 11/02/2005 8 La Tomographie à Émission de Positons (TEP) Production du radio-isotope Synthèse du radiotraceur Acquisition des images Injection du radiotraceur 11/02/2005 9 La Tomographie à Émission de Positons (TEP) Processus Physiques ♦ Désintégration β+ du traceur ♦ Thermalisation du β+ dans les tissus ♦ Annihilation : e+e - → γ γ Détection et acquisition du signal ♦ Détection des γ en coïncidence Collimation électronique Bloc détecteur Couronne de détection PMT Collection de lumière sur 4 PM γ 511 keV γ 511 keV Calcul barycentrique de type «Anger » Matrice de cristaux (BGO , LSO ...) γ 511 keV Reconstruction de la position d ’interaction du γ 11/02/2005 10 La Tomographie à Émission de Positons (TEP) reconstruction de l’image Limites intrinsèques en TEP - Contraintes sur la Distribution spatiale du traceur Quantification de l’activité résolution spatiale ♦ Vol du β+ dans les tissus Emission Annihilation ♦ Acolinéarité γ γ - Mouvement orbital des e∆θ δ Biais de reconstruction ♦ Coïncidences diffusées ♦ Coïncidences fortuites Objet PMT PMT Biais de reconstruction 11/02/2005 11 Tomographie et reconstruction d ’images ♦N projections suivant N directions ♦Algorithme de reconstruction ♦Volume 3D N MicroTomographie RX - ESRF - ID19 (fémur de souris) 11/02/2005 12 Tomographie et reconstruction d ’images Tube de réponse f(x, y, z) Intégration de l ’activité le long de chaque tube de réponse Détecteurs en coïncidence ∑ événements ∝ ∫ f(x, y, z)dxdydz TOR Couronne φ Projection pour une valeur de φ LOR P(s, φ) S t S Transformée de Radon de f(x,y) y S φ Sinogramme X +∞ P(s, φ) = ∫ f(s. cos φ − t. sin φ, s. sin φ + t cos φ)dt -∞ 11/02/2005 13 Tomographie et reconstruction d ’images Projection f( x, y) p( s,90°) Rétroprojection f̂ ( x, y ) p(s,0°) Présence d ’artéfacts f̂ ( x , y ) = ♦ Estimation de l ’image ♦ Nécessité de filtrer les projections pf (s, φ) = ∫ p(s′, φ).h(s − s′)ds′ ∫ π 0 p ( s, φ ) d φ h(s) : TF-1 de |ν|.W(ν) ♦ Reconstruction de la distribution f(x, y) = π ∫ p (x. cos φ + y. sin φ, φ)dφ 0 F 11/02/2005 14 Tomographie et reconstruction d ’images Image de départ Sinogramme Rétroprojection Simulation de 200 projections Avec filtrage des projections 25 200 24 1 rétroprojections rétroprojection rétroprojections rétroprojections rétroprojections 11/02/2005 15 La quantification et TEP Exploitation du lien entre les données mesurées et la distribution radioactive Relier le nombre de coups par voxel à des Bq/cc 1. 2. 3. 4. 5. 6. Normaliser 9 Corriger du temps mort Corriger de l’atténuation 9 Corriger des diffusées Corriger de la décroissance radioactive Application du facteur de calibration 11/02/2005 16 La normalisation ¾ Pourquoi normaliser les données d’acquisition ? 1. Variabilité de réponse entre les cristaux de détection 2. Zones mortes de détection ¾ Comment normaliser les données d’acquisition ? 1. Faire une acquisition ‘à vide’ : image des ‘imperfections’ du détecteur – Organisation en projections 2. Corriger les données d’acquisition sous forme de projections par les projections de normalisation 11/02/2005 17 Normalisation : Inhomogénéités de détection Avant correction de la normalisation Après correction de la normalisation 11/02/2005 18 Correction de l’atténuation source β+ : 68Ge • Mesure des couples de photons d’annihilation en coïncidence sans et avec le patient : N = N0 exp (-Σi µi.xi) Collimation électronique • Organisation des données en projections Image des coefficients d’atténuation 11/02/2005 19 Définition d’une “carte d’atténuation” Image RX : information sur les µ Segmentation os / tissus CT Lissage à la résolution spatiale du TEP TEP Carte CT Carte TEP 11/02/2005 20 Résumé : Reconstruction des données mesurées Projection en émission Normalisation Reconstruction Carte d’atténuation Correction de l’atténuation Analyse de l’image Quantification de l’activité 11/02/2005 21 Extraction des informations régionales Obtention des images Cinétique du traceur dans les régions Traitement des images - Régions d’intérêt - Segmentation - Recalage multimodalité 11/02/2005 22 Exemple d’analyse en imagerie nucléaire par TEP ♦ Domaines d ’investigation • Etudes fonctionnelles • Etudes d ’organes vitaux • Neurologie • Cancérologie • Imagerie du petit animal 15O (H2O ; CO2) - Etude fonctionnelle ♦ Imagerie métabolique Sujets atteints 18F-FDG ♦ Imagerie de perfusion cérébrale Sujet sain FDG - Cancérologie ♦ Imagerie des récepteurs F-DOPA - Neurodégénérescence ♦ Diagnostic : Fixation diminuée du F-DOPA ♦ Diagnostic des démences associées F-DOPA Maladie de Parkinson Examen FDG Démence : Hypofixation postérieure Sans démence 11/02/2005 Avec démence 23 Plan ¾ L’imagerie multimodale ¾ Des outils de simulation Monte Carlo ¾ De l’imagerie du petit animal à l’imagerie de l’homme Les objectifs biologiques & La problématique des physiciens La Plate forme du CEA/SHFJ ¾ Enjeux et Perspectives 11/02/2005 24 Les objectifs biologiques Plate forme de cancérologie expérimentale Développement de traceurs pour le diagnostic précoce Imagerie de la thérapie génique Maladies neurodégénératives Pharmacologie Développement de molécules 11/02/2005 25 La problématique des physiciens • Homme : 70 kg • Primate : 5 kg (x 12) • Rat : 0,3 kg (x 200) • Souris : 0,03 kg (x 2000) Les problèmes posés ¾ La sensibilité de détection ¾ Nouvelle stratégie d’analyse et de quantification • Temps mort détecteur La Tomographie à Émission de Positons (TEP) Tomographe Homme Voxel : 100 µl Tomographe Animal Voxel : 2,5 µl • Atténuation et diffusion des photons dans les tissus • Volume partiel 11/02/2005 26 Imagerie du petit animal : multimodalité Imagerie morphologique et anatomique IRM - Ultra Son - RX Souris CT-RX Imagerie Fonctionnelle ‘Semi’ Quantitative : TEMP ; Optique Souris Bioluminescence Souris Fluorescence Quantitative : TEP Souris TEP 11/02/2005 27 Imagerie du petit animal : multimodalité Fusion des modalités Image Anatomique : Information de localisation Image Fonctionnelle : Information de type biologique (métabolisme, perfusion…) Souris CT-RX / TEP 11/02/2005 28 Imagerie Optique Imagerie par bioluminescence : Intérêt de la multimodalité TEP/Optique Imagerie Optique : Identification de la cible Imagerie TEP : Marquage de la sonde – du médicament Observation de l’adressage médicament sur cible Perspective vers l’imagerie de fluorescence - Excitation Laser de nanoparticules - Encapsulation de nanoparticules dans des protéines - Large spectre de cibles biologiques 11/02/2005 29 Une partie de l’imagerie au SHFJ Plate forme d’imagerie du petit animal Fonctionnelle Tomographie à Émission de Positons Imagerie planaire monophotonique Imagerie Optique par bioluminescence Anatomique - Morphologique IRM 3T ‘Homme’ La TEP au SHFJ 3 familles de Caméra microPET FOCUS pour le petit animal HRRT pour le cerveau humain HR+ pour le corps entier chez l’homme 11/02/2005 30 La Caméra TEP FOCUS au SHFJ Première caméra TEP ‘petit animal’ en service en France : Janvier 2004 Géométrie de la caméra 26 cm 7,6 cm • 4 anneaux de détection • 168 blocs de détection (42 par anneaux) • 7,6 cm de FOV axial • 26 cm de Ø • 3D 11/02/2005 31 Description de la caméra FOCUS Le détecteur 26 cm Y1 Bloc de détection • PMT multianodes à localisation • 12 x 12 cristaux par bloc (Total : 24192 cristaux) • Un cristal : 1,5 x 1,5 x 10 mm - LSO • Espace inter-cristaux : 0,08 mm • Taux de comptage max : 3,5 M evts / sec. • Compactage = zone active / (zone active + morte) = 92 % • Sensibilité absolue : 3,4 % Y2 X1 X2 Pour chaque événement X = X1/(X1+X2) Y = Y1/(Y1+Y2) 11/02/2005 32 La Caméra HRRT au SHFJ Caméra prototype pour l’imagerie haute résolution du cerveau chez l’homme Structure : 8 heads 9 x 13 blocks per head 8 x 8 x 2 crystals per bloc Head-to-head distance: 46.9 cm FOV : 31.2 x 31.2 x 25.2 cm3 Crystal dimensions : 2.1 x 2.1 x 10 mm3 Material : LSO / LYSO Number of slices : 207 Slice thickness : 1.22 mm 11/02/2005 33 La Caméra HR+ au SHFJ Caméra pour l’imagerie corps entier chez l’homme 32 rings : 63 Reconstructed Slices 18432 BGO crystals Ring diameter : 82,7 cm Axial Field Of View : 15,2 cm 288 Blocks : 8*8 crystal units / Block Light Collection : 4 PMT / Block Position calculation : Anger Logic 11/02/2005 34 Comparatif en résolution spatiale Expérience Derenzo • 3 types de caméra du SHFJ 11/02/2005 35 Examens Primates : Modèles Neurodégénératifs • Imagerie de récepteurs • Recherche de nouveau marqueurs pour les maladies de Parkinson et Alzheimer 11/02/2005 36 HRRT % HR+ chez le primate (babouin) Imagerie de la neuro-transmission 11/02/2005 37 Examens Rats : Cancérologie & Neuroscience [F18]FNa 400 mCi - rat 400 g 11/02/2005 38 microPET FOCUS chez le rat (abdomen) Injection FDG : 2 h d’acqui. & 37 MBq (1 mCi) & Dynamique 8 x 15’ • Tumeur foie • Détectabilité tumorale précoce • Répliques métastases poumon & cerveau • Suivi thérapeutique (quantification) • Localisation anatomique IRM 3T 11/02/2005 39 microPET FOCUS chez le rat (cerveau) Métabolisme cérébral du glucose 335 g, 160 MBq 2 heures acquisition • Informations sur les processus d’échanges énergétiques • Cancérologie ; Transport de Neurones ; Activité Neuronale… 11/02/2005 40 microPET FOCUS chez le rat (cerveau) Mesure de la densité des récepteurs dopaminergique D2 • Modèle de maladies neurodégénératives (Parkinson, Alzeimer, Huntington…) • Mesure de flux de neurones ‘entrant’ sur les striata et de la synthèse dopaminergique… 335 g 120 MBq 30 minutes acquisition 30 minutes après injection 11/02/2005 41 Examens Souris : Cancérologie & Pharmacologie Quantification sur la souris : Métodologie & Validation Principe de l’analyse • Quantification TEP sur 5 organes : cœur, foie, vessie, reins, muscle • Segmentation des images : extraction des ROI pour chaque organe • Sacrifice de l’animal • Extraction des organes pour comptage 11/02/2005 42 HR+ % HRRT % FOCUS chez la souris Métabolisme du glucose : modèle de tumeurs digestives ROI2 ROI1 ROI1 ROI2 temps HR+ HRRT FOCUS 11/02/2005 43 HRRT % FOCUS chez la souris Métabolisme du glucose : résolution du coeur • Volume du cœur ~ 100 µl • Ventricule gauche • Myocarde + cavité 20 g, 100 mCi, FOCUS, 15-30 min 25 g, 80 mCi, HRRT, 1929 min 11/02/2005 44 Plan ¾ L’imagerie multimodale ¾ Des outils de simulation Monte Carlo ¾ De l’imagerie du petit animal à l’imagerie de l’homme ¾ Enjeux et Perspectives 11/02/2005 45 Perspectives Intérêts scientifiques de la pluridisciplinarité Informatique Mathématique Physique Biologie Cancérologie Neurologie Pharmacologie Développements Instrumentaux pour la multimodalité Outils de simulations et d’analyse 11/02/2005 46 Perspectives État de l’art en TEP petit animal : • Résolution : 1.3 mm au centre • Sensibilité : 3.5 % au centre Utilisation de méthode de reconstruction itératives - Déconvolution du vol positon - Déconvolution de la résolution détecteur Résolution : 0.9 mm au centre Les besoins : Augmentation IMPORTANTE de la Sensibilité ! > 20 % Résolution homogène dans le champ de vue 11/02/2005 47
