IMAGERIE SCINTIGRAPHIQUE

I. Introduction

A. Principe

On va administrer (injecter +++) au patient une molécule(le radiopharmaceutique) qui est :

Spécifique de l'organe à étudier Marquée par un radioélément émetteur γ (ou β+)

Au bout d'un temps variable, ce radiopharmaceutique se fixe sur l'organe-cible qui devient émetteur γ (ou β +)

Une fois que le rapport signal / bruit est suffisant on a une détection de ce rayonnement par une gamma-caméra (ou caméra à position). On aura une imagerie numérique de la distribution du radiopharmaceutique.

B. Imagerie par émission et par transmission

L'imagerie scintigraphique est ce qu'on appelle une imagerie par émission. En effet, c'est l'organe qui fixe le radiopharmaceutique qui devient la source du rayonnement qui est reçu par les détecteurs. Ainsi on parle d'émission car le détecteur reçoit des "émissions".

On l'oppose à l'imagerie radiologique conventionnelle ou la source de rayon X se trouve à l'extérieur du sujet. Ce faisceau de rayons X traverse le sujet. Ainsi, le détecteur reçoit du rayonnement transmis. On parlera donc d'imagerie par transmission.

Kevin CHEVALIER 1

C. Axes de développement

Cette imagerie se développe selon un axe :

Technologique avec une recherche de l'amélioration des performances des caméras Biologique avec la mise au point de nouveaux radiopharmaceutiques

D. Les radiopharmaceutiques

1. Généralités

Les radiopharmaceutiques sont des molécules radiomarquée administrée à un patient en vue :

D'un examen scintigraphique D'une thérapie (Radiothérapie interne vectorisée)

Ce radiopharmaceutique est un médicament. Il a donc une AMM (Autorisation de Mise sur le Marché) et une RCP (Résumé des Caractéristiques du Produit). L'utilisation de ces radiopharmaceutiques oblige à la présence d'un radiopharmacien.

Ces radiopharmaceutiques sont des sources radioactives non scellées. Ainsi, on a risque de contamination interne mais aussi externe.

Il existe plusieurs dizaines de radiopharmaceutiques spécifiques d'un organe ou d'une fonction. De plus, pour certains organes, on a plusieurs radiopharmaceutiques différents pour étudier plusieurs fonctions.

Par exemple : Il existe des radiopharmaceutiques qui permettent de voir la perfusion du cœur et d'autres qui permettent de calculer le volume d'éjection sanguin du ventricule gauche.

Attention, les radiopharmaceutiques ne sont pas l'équivalent des produits de contraste en radiologie qui servent à améliorer le contraste entre plusieurs tissus.

2. Structure

a. En général

C'est un atome d'un radioélément associé à une molécule vectrice qui est spécifique de l'organe-cible. Ainsi elle véhiculera le radioélément vers l'organe voulu.

Exemple : Les agrégats d'albumine associé au technicium 99m dans la scintigraphie de perfusion pulmonaire

Kevin CHEVALIER 2

b. Parfois

On peut utiliser le radioélément seul si ses propriétés physico-chimiques sont suffisantes pour qu'il soit véhiculé.

Exemple : L'iode 123 dans la scintigraphie thyroïdienne

Exemple : Le krypton 81m dans la scintigraphie de ventilation pulmonaire

3. Mécanisme de localisation sur l'organe cible

Il existe 4 mécanismes qui vont permettre au radioélément d'aller se fixer sur l'organe cible

a. Selon un phénomène métabolique actif

Exemples :

123I dans la scintigraphie de la thyroïde.

18F-désoxyglucose dans les TEP-Scan des tumeurs.

Kevin CHEVALIER 3

b. Selon un phénomène passif

Exemples :

81mKr dans la ventilation pulmonaire

99mTC – agrégats d'albumine dans la scintigraphie de la perfusion pulmonaire

c. Selon une fixation sur des récepteurs spécifiques

Exemple :

111In (Indium) – octréotide (OCTREOSCAN®) qui se fixe sur le récepteur de la somatostatine dans la recherche de tumeur neuroendocrines

123I – ioflupane (DATSCAN®) qui se fixe sur des récepteurs dopaminergiques des noyaux gris centraux.

4. Selon une fixation d'un anticoprs sur un antigène

Exemple :

99mTc – Anticorps antigranulocytes (LEUKOSCAN®) qui se fixent sur les foyers septiques permettant de localiser les sites infectieux.

90Y – Anticorps antiCD20 (ZEVALIN) dans le traitement de certains lymphomes BLe 90Y (Yttrium) est un émetteur spécifique β. Il va permettre une action thérapeutique via la destruction des lymphocytes cancéreux.

E. Imagerie scintigraphique

Le contraste est du aux différences de concentration tissulaire du radiopharmaceutique.

La concentration du radiopharmaceutique dans l'organe-cible reflète son fonctionnement, physiologique ou pathologique.

On a donc une imagerie "fonctionnelle".

Elle s'oppose à l'imagerie par les rayons X dont le contraste est du aux différences de densité tissulaire.

On a donc une imagerie "morphologique" ou "anatomique".

Sur ce type d'image on verra bien les détails anatomiques de l'organe.

Kevin CHEVALIER 4

On a ici une coupe TDM passant par les noyaux gris centraux. On discerne bien les différentes structures.

A côté on a une image scintigraphie au DATSCAN qui fixe les noyaux gris centraux. L'intérêt de cette dernière image est qu'elle est fonctionnelle.

Par exemple : La maladie de Parkinson due à une dégénerescence des noyaux gris centraux avec une perte de synapses dopaminergique. Au scanner, on aura une image morphologique normale. Par contre sur la scintigrapghie on aura une moins bonne fixation sur le snoyaux gris centraux, signant le diagnostique.

F. Sémiologie

Quand on regarde une image scintigraphique ou regarde où se fixe le radiopharmaceutique. La localisation est elle physiologique ou pathologique ?

Attention cependant aux organes impliqués dans l'élimination du radiopharmaceutique (reins, vessie, …)

Il faut aussi regarder l'intensité de la fixation du radiopharmaceutique.

La fixation est elle d'intensité normale ? A-t-on une hyperfixation ou une hypofixation ?

SI on a une anomalie, il faut se demander si elle est significative ou non ? Il faudra donc la quantifier.

Kevin CHEVALIER 5

II. Imagerie par émetteurs de photons γ

A. Le radiopharmaceutique le plus utilisé : Le Technicium 99m ( 99m Tc)

Caractéristiques d'un bon radio-émetteur

Caractéristiques du Technicium 99m

Il faut qu'il soit γ pur entre 70 et 200 kV (zone optimale de fonctionnement des gamma-caméra)

C'est un émetteur γ "pur" de 140 kev

Il faut que sa période soit de quelques heures pour qu'il soit nocif le moins longtemps.

Il a une période de 6h

Il faut que les marquages du radioélément sur la molécule vectrice soient faciles et durables. Il faut que ce marquage soit stable.

Il présente un marquage facile et stable

Ce radioélément doit être facilement disponible. Il est produit par un générateur domestique. On a un radioélément "père" le 99Mo (Molybdène) qui donnera le radioélément "fils" de 99mTc.

Ces préparations se fond dans des boîtes à gants blindées.

B. La gamma-caméra

Kevin CHEVALIER 6

Le patient, dont l'organe est marqué par le radiopharmaceutique, envoi des photons dans toutes les directions.

Les photons qui vont dans la bonne direction sont captés par le collimateur.

On a au-dessus le cristal à scintillations, les photomultiplicateurs, et de l'électronique. Toute ce matériel est engainé dans du plomb et relié à un ordinateur.

1. Le collimateur

C'est une plaque de plomb de quelques centimètres d'épaisseurs avec des trous hexagonaux.

Ce collimateur permet de sélectionner les photons se propageant dans une direction déterminée.

Kevin CHEVALIER 7

Les photons qui ont une direction parallèle à celle des trous vont passer. Les autres seront arrêtés par les septas en plomb. La sélection de ces photons à direction parallèle permette de localiser la source du photon.

Le problème majeur est que ce collimateur laisse passer des photons diffusés Compton.

Le photon incident interagit avec un électron Compton qui part dans une direction, mais cela va aussi créer un photon diffusé qui ne pourra passer à travers le collimateur constituant une erreur de localisation de la source.

Ainsi, le rayonnement diffusé dégrade la qualité des images.

Ainsi, le collimateur n'élimine pas les photons diffusés

Kevin CHEVALIER 8

2. Cristal à scintillions (NaI : Iodure de Sodium)

Les photons γ qui ont traversé le collimateur interagissent dans le cristal :

Par effet photoélectrique (principalement) donnant des photoélectrons Par effet Compton donnant des électrons Compton

Ces électrons perdent leur énergie cinétique dans le cristal en excitant des molécules du cristal.

La désexcitation des molécules du cristal abouti à l'émission de photons de scintillation qui ne sont rien d'autre que des photons de fluorescence (émis lors d'un réarrangement électronique) dont l'énergie E ≈ 3 eV.

On a donc la transformation des photons γ en photons de scintillation.

3. Les photomulcitplicateurs (PM)

Ce sont des tubes électroniques solides qui vont tapissés le cristal.

Un photon γ produit des photons de scintillations qui vont être pris en charge par le premier élément du photomultiplicateur : la photocathode.

La photocathode transforme un photon en électron. Quand un photon tape la photocathode, il libère un électron. Cet électron est pris en charge par des dynodes dont le potentiel positif est de plus en plus élevé ce qui va permettre d'amplifier le nombre d'électrons.

Le photomultiplicateur multiplie donc le nombre d'électrons.

A la fin, on aura donc une multitude d'électron qui est proportionnels à l'énergie du photon.

Kevin CHEVALIER 9

4. Convertisseurs analogiques numériques

Derrière chaque photomultiplicateur on a un convertisseur qui numérise le signal émit.

5. Circuits de localisation

Ils permettent de localiser où se trouve la source radioactive dans l'organe.

Le principe est que l'intensité du signal de sortie de chaque photomultiplicateur dépend de sa position par rapport au point d'impact du photon dans le cristal.

On a un calcul des coordonnées (X, Y) du point d'impact du photon dans le cristal. Or comme le collimateur sélectionne les photons perpendiculaires au collimateur, la source sera à la perpendiculaire de l'impact du photon dans le cristal.

On a donc la localisation du photon γ

6. Spectrométrie / sélecteur d'amplitude d'impulsions

L'énergie des photons diffusés dans les tissus est inférieure à l'énergie des photons incidents.

Exemple : Pour le 99m TC E = 140 keV

Le photon diffusé à une énergie comprise entre 90 et 140 keV (rare).

Ainsi, si on représente le spectre des photons qui ont atteint le cristal, on va distinguer les photons incident avec un pic centré sur 140 keV et un pic moins élevé et décalé vers les énergies les plus faibles correspondant aux rayonnements diffusés.

Ainsi, on a plus qu'a sélectionné les photons qui ont une énergie supérieure à une valeur seuil.

Kevin CHEVALIER 10

Le sélecteur d'amplitude d'impulsions permet le rejet des photons diffusés dans les tissus.

C. Formation de l'image

A chaque impact d'un photon γ au point (X, Y) du cristal, si l'énergie est supérieur à l'énergie seuil, une impulsion est comptée dans le pixel des coordonnées X, Y.

1. Valeur du pixel

La valeur du pixel est, en imagerie scintigraphique, un nombre qui va représenter le nombre de photons γ émis parla structure que représente ce pixel et qui sont :

Détectés par la γ caméra Acceptés par le sélecteur d'amplitude.

Cette valeur est codée par un niveau de gris ou une couleur.

2. Profondeur du pixel (ou résolution en intensité)

C'est la taille de mémoire nécessaire pour coder l'ensemble des valeurs que peut prendre un pixel.

Exemple :

1 octets = 8 bits = 28 valeurs (256) 12 bits = 212 valeurs (4096)

Plus la profondeur des pixels est grande, plus la taille mémoire va être grande.

Cette image est codée sur 8 bits. On ne peut pas faire de différence entre un pixel à 255 ou à 300.

Kevin CHEVALIER 11

D. Modalités d'acquisition des images

1. Scintigraphies planaires

a. Acquisition statique

La tête de détection est immobile et centrée sur l'organe-cible.

La durée est de quelques minutes.

Exemple : Scintigraphie pulmonaire

b. Les acquisitions dynamiques

L'acquisition d'image démarre au moment de l'injection du radiopharmaceutique.

On réalise une série d'images de quelques secondes chacune

Exemple : Scintigraphie rénale

Kevin CHEVALIER 12

c. Balayage corps entier

Les têtes de détections se déplacent à vitesse constante de la tête du patient à ses pieds.

Exemple : Scintigraphie osseuse

2. Les tomoscintigraphies γOu TEMP (Tomoscintigraphie par Emission MonoPhotonique)Ou SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography)

On a la représentation volumique d'un organe sous forme de coupes à partir de projections obtenues sous un grand nombre d'incidence.

On a la rotation des tête(s) de détection autour du patient. Les caméras tournent, enregistrent (30 secondes), tournent, enregistrent (30 secondes), … et ceci jusqu'à faire le tour du patient.

Chaque incidence donne une image de projection 2D qui forme une matrice.

Dans chaque matrice, une ligne représente une projection d'un plan de coupe de l'organe

Kevin CHEVALIER 13

A partir de ces données "volumiques", on a une reconstruction des images de coupes.

L'intérêt est d'augmenter la détectabilité des petites lésions hyper- ou hypoxifiantes

Elle est obligatoire pour le cœur et le cerveau.

Elle peut être intéressante en fonction des besoins pour les autres organes

E. Avances technologiques récentes

1. Les caméras "hybrides"

Ce sont des caméras qui font à la fois du TEMP et du TDM.

L'intérêt de ces caméras est d'avoir un repérage anatomique grâce à la fusion des images TEMP et TDM.

Exemple :

Patient opéré d'une tumeur endocrine du pancréas. On réalise un contrôle à distance pour la recherche de métastases.

Si on se contente d'une TEMP, on voit l'ombre de la vessie mais aussi deux hyperfixations.

Si on superpose les images de TDM, on aura une métastase du périnée d'un ganglion.

Kevin CHEVALIER 14

2. Caméras à semi-conducteurs

a. Fonctionnement

Elles permettent une conversion directe de l'énergie des photons γ en charge électrique.

Quand un photon γ traverse le collimateur et frappe l'électrode, on a la création d'une paire électrons/photons.

On aura en sortie un signal électrique dont l'intensité est proportionnelle à celle du photon incident.

On ne passe donc plus par le cristal à scintillation.

L'intérêt est d'avoir une meilleure résolution spatiale et une meilleure sensibilité.

b. Détecteurs de petites tailles

Néanmoins, comme le prix est cher, on a pu utiliser ces cristaux pour faire des détecteurs de petites tailles

c. Gamma caméras "dédiée" à la tomoscintigraphie myocardique

On à 9 petits détecteurs accolés l'un à l'autre.

Cela permet d'avoir des images de meilleure qualité et de façon plus rapide.

Kevin CHEVALIER 15

III. Imagerie par émetteur de positonsOu TEP : Tomographie par Emission de PositonsOu PET : Positons Emission Tomography

A. Principal radiopharmaceutique

Le FDG (Fluoro-Desoxy-Glucose) est le seul radiopharmaceutique actuellement utilisé en routine.

1. Pourquoi le déoxyglucose ?

a. Principe

Cette molécule, comme la molécule de glucose rentre dans la cellule par diffusion passive mais aussi par transport actif (GLUT).

Cette molécule rentre dans le cycle de Krebs et devient le FDG-6phosphate par action de l'hexokinase. Néanmoins, le FDG-6phosphate n'est pas reconnu par la G-6-Phosphate isomérase pour la suite du cycle de Krebs et reste bloquée dans la cellule.

Or dans les cellules malignes, on a une augmentation de la consommation de glucose mais aussi de la synthèse de transporteurs GLUT-1. On a donc une hypercaptation du FDG par les cellules malignes.

Attention, il existe un risque de faux négatif si le patient est en hyperglycémie.

b. Hypercaptation non tumorales

Il existe des hypercaptations physiologiques :

Le cerveau Le myocarde ± Les intestins ± Les muscles La vessie et les reins

Il existe aussi des hypercaptations pathologiques :

Les sites inflammatoires Les infections

Kevin CHEVALIER 16

2. Pourquoi le fluor 18 ?

La plupart des radioéléments β+ ont une période très courte :

15O : 2 min 13N : 10 min 11C : 20 min

Leur utilisation n'est possible seulement qu'à proximité du site de production (cyclotron).

La période du fluor 18 est de 110 min.

B. Caméra à positons

1. Historique

En 1976, on a la première caméra à positon.

En 1978, on a la première caméra à positon en France à Orsay pour la recherche cérébrale.

En 1990, on a une évolution technologique permettant une sensibilité 5 fois meilleure. On pourra s'attaquer à d'autres organes que le cerveau, notamment les tumeurs.

En 1999, on a la première caméra à positon utilisée en routine (à Lille)

2. Principe de la détection

a. Principe

Le principe de la détection est la "détection en coïncidence"

A chaque fois qu'il y a une désintégration du radioélément β+ on a l'émission de deux photons γ de 511 keV chacun, émis à 180° l'un de l'autre.

Une impulsion est comptée quand 2 photons atteignent 2 détecteurs opposés en "même temps".

Kevin CHEVALIER 17

b. Bloc-détecteur

Chaque bloc-détecteur est constitué :

De petit cristaux, composés d'un matériau plus dense que le NaI (Car énergie plus fort de 511 keV).

De quelques photomultiplicateurs

On a environ 50 couronnes accolées formant l'anneau de détection.

c. Collimateur

On a plus besoin de collimateur, on a une "collimation électronique". Il suffit de calculer l'endroit de la source grâce à la direction de 180° des photons γ.

Cela va augmenter la sensibilisation de détection de la machine.

d. Problèmes

Néanmoins, il peut exister des coïncidences parasites :

Coincidence fortuite : 2 photons arrivent sur 2 détecteurs opposés alors qu'ils ne proviennent pas de la même source. On a donc une erreur de la localisation de la source et donc une dégradation de la résolution spatiale

Coïncidence diffusée : Un photon à fait une interaction Compton, il est donc diffusé. Cela va conduire au fait que 2 détecteurs vont être atteint en même temps, créant une erreur de localisation de la source.

Kevin CHEVALIER 18

Le second problème est que le site de l'annihilation est différent du site de désintégration.

Ce qu'on repère sur l'image c'est là où a eu lieu l'annihilation et non là où a eu lieu la désintégration.

La distance entre ces deux lieux dépend de l'énergie du radioélément.

Pour le 18F : Pour une énergie moyenne de Eβmoyen = 0,25 MeV, il y aura une incertitude dmoyen de 0,6mm.

3. Acquisition des images

C'est une tomoscintigraphie.

On a une couronne de détecteur qui enregistre des coïncidences sous un grand nombre d'incidences.

De plus, on a un déplacement du lit dans l'anneau de détection par pas d'environ 20 cm.

4. Représentation des images

a. Selon les 3 plans de coupe principaux

Kevin CHEVALIER 19

b. MIP (Maximum Intensity Projection)

C'est un mode 3D transparent

5. La TEP-TDM

a. Généralités

Aujourd'hui toutes les machines TEP sont associées à des TDM.

La première machine dans le monde date de 1995 et de 2003 en France.

On a d'abord une acquisition TDM (environ 50 secondes, de la base du crâne à mi-cuisse) puis une acquisition TEP (environ 3 minutes par pas de 20 cm).

b. Intérêt

L'intérêt est d'avoir un meilleur repérage anatomique grâce à la fusion des images TEP et TDM

Remarque : Les TDM couplés au TEP se font sans injection et à faible dose.

Kevin CHEVALIER 20

c. Résolution spatiale

La résolution spatiale d'un TEP corps entier est de 4 mm (contre 7 pour un TEMP). Pour un TEP cerveau, on descend même à 3mm.

Pour des micro-TEP on a une résolution spatiale inférieure à 2 mm. On remplace les photomultiplicateurs par des photodiodes

d. Quantification de l'intensité de fixation

On peut quantifier la fixation du radiopharmaceutique. Cela grâce au SUV "Standard Uptake Value".

SUV = Concentrationradioactive dans≤voxel(kBq/ml)

Activité injectée (kBq ) / poids patient (g) Cela équivaut à la valeur du pixel.

Quand on regarde l'image TEP on a une échelle de gris. Quand on fusionne le TEP et le TDM on a la métabolisation en échelle de couleurs.

La quantification de l'intensité de fixation est importante car elle permet de déterminer un " seuil de malignité" mais aussi d'avoir un suivi.

Remarque : Contrairement à la scintigraphie où on parle d'hyperfixation, en TEP-TDM on parle d'hypermétabolisation.

C. Avancées récentes

1. Synchronisation respiratoire

On synchronise l'acquisition des images avec les mouvements respiratoires.

Les mouvements respiratoires entraînent un flou cinétique. Du coup, une lésion apparait plus étendues et moins fixante.

Kevin CHEVALIER 21

On peut donc avoir un risque de faux négatif mais aussi d'avoir une localisation incertaine sur les images fusions TEP-TDM.

Exemple :

On a une zone hypermétabolique mais qui est d'une localisation différente selon les images TDM et TEP

Pour corriger cela on pose un capteur de pression sur le creux épigastrique. On enregistre le signal respiratoire pendant l'acquisition permettant de ne prendre les images qu'à un seul moment de ce cycle respiratoire.

2. Reconstruction utilisant le "temps" de volOu TOF (Time Of Fly)

Si la désintégration a lieu ailleurs qu'au milieu d'une structure homogène, les 2 photons ne parcourent pas la même distance et n'arrivent donc pas en même temps sur la structure.

On va mesurer ce décalage temporel Δt = t2-t1 pour définir où se trouve le site de l'annihilation.

Le problème c'est que ce décalage est de quelques picosecondes, soit, indétectables par l'électronique actuel.

On va injecter les données TOF dans les algorithmes de reconstruction classiques amenant à une amélioration signal / bruit (obèse +++). On a une augmentation de la sensibilité et une diminution de la durée d'acquisition.

Kevin CHEVALIER 22

3. TEP-IRM

a. Avantages par rapport au TEP-TDM

Les avantages par rapport au TEP-TDM sont :

Un meilleur contraste des tissus mous en IRM par rapport au TDM On peut utiliser les aspects fonctionnels de l'IRM (exploration cérébrale) On n'a pas de rayonnements ionisants

b. Problèmes techniques

Il n'y a pas beaucoup de place dans l'aimant de l'IRM pour les détecteurs TEP

Il y a des vibrations lors des acquisitions de séquences rapides IRM, ce qui est dangereux pour les cristaux, très fragiles.

Les photomultiplicateurs sont sensibles au champ magnétique, on doit donc utiliser des photodiodes.

c. Imagerie pré-clinique

Il existe des machines pour des petits animaux (7 Tesla).

d. Imagerie clinique

Elle se développe notamment pour le cerveau, l'ORL, la prostate.

Kevin CHEVALIER 23