Tomographie par émission de positons

Radionucléides et radiotracersmodifier

Les radionucléides utilisés dans le balayage TEP sont généralement des isotopes à demi-vie courte tels que le carbone 11 (~ 20 min), l’azote 13 (~ 10 min), l’oxygène 15 (~ 2 min), le fluor 18 (~ 110 min), le gallium 68 (~ 67 min), le zirconium 89 (~ 78,41 heures) ou le rubidium 82 (~ 1,27 min). Ces radionucléides sont incorporés soit dans des composés normalement utilisés par l’organisme tels que le glucose (ou des analogues du glucose), l’eau ou l’ammoniac, soit dans des molécules qui se lient aux récepteurs ou à d’autres sites d’action du médicament. De tels composés marqués sont appelés radiotraceurs. La technologie PET peut être utilisée pour tracer la voie biologique de n’importe quel composé chez l’homme vivant (et de nombreuses autres espèces également), à condition qu’il puisse être radiomarqué avec un isotope PET. Ainsi, les processus spécifiques qui peuvent être sondés avec la TEP sont pratiquement illimités, et les radiotraceurs pour de nouvelles molécules et processus cibles continuent d’être synthétisés; à ce jour, il en existe déjà des dizaines en utilisation clinique et des centaines appliquées à la recherche. En 2020, le radiotraceur le plus couramment utilisé en TEP clinique est le 18F-FDG, un analogue du glucose marqué au fluor-18. Ce radiotraceur est utilisé dans pratiquement tous les scans pour l’oncologie et la plupart des scans en neurologie, et constitue donc la grande majorité des radiotraceurs (> 95%) utilisés en TEP et TEP-CT.

En raison de la courte demi-vie de la plupart des radioisotopes émettant des positrons, les radiotraceurs ont traditionnellement été produits à l’aide d’un cyclotron à proximité immédiate de l’installation d’imagerie TEP. La demi-vie du fluor-18 est suffisamment longue pour que les radiotraceurs marqués au fluor-18 puissent être fabriqués commercialement à des emplacements hors site et expédiés aux centres d’imagerie. Récemment, des générateurs au rubidium-82 sont devenus disponibles dans le commerce. Ceux-ci contiennent du strontium-82, qui se désintègre par capture électronique pour produire du rubidium-82 émettant des positrons.

Immuno-PETEdit

L’isotope 89Zr a été appliqué au suivi et à la quantification d’anticorps moléculaires avec des caméras de tomographie par émission de positons (PET) (méthode appelée « immuno-PET »). La méthode utilise un dérivé succinylé de la desferrioxamine B (N-sucDf) en tant que chélate bifonctionnel,

Émissionmodifier

Pour effectuer l’analyse, un isotope traceur radioactif de courte durée est injecté dans le sujet vivant (généralement dans la circulation sanguine). Chaque atome traceur a été chimiquement incorporé dans une molécule biologiquement active. Il y a une période d’attente pendant que la molécule active se concentre dans les tissus d’intérêt, puis le sujet est placé dans le scanner d’imagerie. La molécule la plus couramment utilisée à cet effet est le fluorodésoxyglucose marqué au F-18 (FDG), un sucre, pour lequel la période d’attente est généralement d’une heure. Pendant l’analyse, un enregistrement de la concentration tissulaire est effectué lorsque le traceur se désintègre.

Lorsque le radioisotope subit une désintégration d’émission de positons (également connue sous le nom de désintégration bêta positive), il émet un positron, une antiparticule de l’électron de charge opposée. Le positron émis se déplace dans les tissus sur une courte distance (généralement inférieure à 1 mm, mais dépendante de l’isotope), pendant laquelle il perd de l’énergie cinétique, jusqu’à ce qu’il décélère jusqu’à un point où il peut interagir avec un électron. La rencontre annihile à la fois l’électron et le positron, produisant une paire de photons d’annihilation (gamma) se déplaçant dans des directions approximativement opposées. Ceux-ci sont détectés lorsqu’ils atteignent un scintillateur dans le dispositif de balayage, créant un éclat de lumière qui est détecté par des tubes photomultiplicateurs ou des photodiodes à avalanche de silicium (Si APD). La technique dépend de la détection simultanée ou coïncidente de la paire de photons se déplaçant dans des directions approximativement opposées (ils seraient exactement opposés dans leur trame de centre de masse, mais le scanner n’a aucun moyen de le savoir, et a donc une légère tolérance d’erreur de direction intégrée). Les photons qui n’arrivent pas en « paires » temporelles (c’est-à-dire dans une fenêtre temporelle de quelques nanosecondes) sont ignorés.

Localisation de l’événement d’annihilation des positrons

La fraction la plus significative des annihilations électron–positrons entraîne l’émission de deux photons gamma de 511 keV à près de 180 degrés l’un par rapport à l’autre ; il est donc possible de localiser leur source le long d’une ligne droite de coïncidence (également appelée ligne de réponse, ou LOR). En pratique, le LOR a une largeur non nulle car les photons émis ne sont pas exactement distants de 180 degrés. Si le temps de résolution des détecteurs est inférieur à 500 picosecondes au lieu d’environ 10 nanosecondes, il est possible de localiser l’événement sur un segment d’une corde, dont la longueur est déterminée par la résolution temporelle du détecteur. À mesure que la résolution temporelle s’améliore, le rapport signal sur bruit (SNR) de l’image s’améliore, nécessitant moins d’événements pour obtenir la même qualité d’image. Cette technologie n’est pas encore courante, mais elle est disponible sur certains nouveaux systèmes.

Reconstruction d’imagedit

Les données brutes collectées par un scanner TEP sont une liste d' » événements de coïncidence » représentant une détection quasi simultanée (typiquement, dans une fenêtre de 6 à 12 nanosecondes l’une de l’autre) de photons d’annihilation par une paire de détecteurs. Chaque événement de coïncidence représente une ligne dans l’espace reliant les deux détecteurs le long de laquelle l’émission de positons s’est produite (c’est-à-dire la ligne de réponse (LOR)).

Les techniques analytiques, tout comme la reconstruction des données de tomodensitométrie (TDM) et de tomodensitométrie à émission monophotonique (SPECT), sont couramment utilisées, bien que l’ensemble de données collectées en TEP soit beaucoup plus pauvre que la TDM, de sorte que les techniques de reconstruction sont plus difficiles. Les événements de coïncidence peuvent être regroupés en images de projection, appelées sinogrammes. Les sinogrammes sont triés selon l’angle de chaque vue et l’inclinaison (pour les images 3D). Les images de sinogramme sont analogues aux projections capturées par les scanners de tomodensitométrie (CT), et peuvent être reconstruites de manière similaire. Les statistiques des données ainsi obtenues sont bien pires que celles obtenues par tomographie par transmission. Un ensemble de données TEP normal compte des millions de comptes pour l’ensemble de l’acquisition, tandis que le CT peut atteindre quelques milliards de comptes. Cela contribue à ce que les images PET apparaissent plus « bruyantes » que la tomodensitométrie. Les deux principales sources de bruit en PET sont la diffusion (une paire de photons détectée, dont au moins un a été dévié de sa trajectoire initiale par interaction avec la matière dans le champ de vision, ce qui a conduit à affecter la paire à un LOR incorrect) et les événements aléatoires (des photons provenant de deux événements d’annihilation différents mais mal enregistrés comme une paire de coïncidences car leur arrivée à leurs détecteurs respectifs s’est produite dans une fenêtre temporelle de coïncidence).

En pratique, un prétraitement considérable des données est nécessaire — correction des coïncidences aléatoires, estimation et soustraction des photons diffusés, correction du temps mort du détecteur (après la détection d’un photon, le détecteur doit « refroidir » à nouveau) et correction de la sensibilité du détecteur (à la fois pour la sensibilité inhérente au détecteur et les variations de sensibilité dues à l’angle d’incidence).

La rétroprojection filtrée (FBP) a été fréquemment utilisée pour reconstruire des images à partir des projections. Cet algorithme présente l’avantage d’être simple tout en ayant un faible besoin en ressources de calcul. Les inconvénients sont que le bruit de prise de vue dans les données brutes est important dans les images reconstruites et que les zones à forte absorption de traceurs ont tendance à former des stries sur l’image. De plus, FBP traite les données de manière déterministe — il ne tient pas compte du caractère aléatoire inhérent associé aux données TEP, nécessitant ainsi toutes les corrections de pré-reconstruction décrites ci-dessus.

Approches statistiques fondées sur la probabilité:Les algorithmes statistiques de maximisation des attentes itératives basés sur la vraisemblance, tels que l’algorithme de Shepp-Vardi, sont maintenant la méthode de reconstruction préférée. Ces algorithmes calculent une estimation de la distribution probable des événements d’annihilation qui ont conduit aux données mesurées, sur la base de principes statistiques. L’avantage est un meilleur profil de bruit et une meilleure résistance aux artefacts de stries communs avec FBP, mais l’inconvénient est des besoins en ressources informatiques plus élevés. Un autre avantage des techniques de reconstruction statistique d’image est que les effets physiques qui devraient être pré-corrigés lors de l’utilisation d’un algorithme de reconstruction analytique, tels que les photons dispersés, les coïncidences aléatoires, l’atténuation et le temps mort du détecteur, peuvent être incorporés dans le modèle de vraisemblance utilisé dans la reconstruction, ce qui permet une réduction supplémentaire du bruit. Il a également été démontré que la reconstruction itérative entraîne une amélioration de la résolution des images reconstruites, car des modèles plus sophistiqués de la physique du scanner peuvent être incorporés dans le modèle de vraisemblance que ceux utilisés par les méthodes de reconstruction analytique, ce qui permet une meilleure quantification de la distribution de la radioactivité.

La recherche a montré que les méthodes bayésiennes qui impliquent une fonction de vraisemblance de poisson et une probabilité antérieure appropriée (p. ex., un lissage antérieur conduisant à une régularisation de la variation totale ou une distribution laplacienne conduisant à une régularisation basée sur ℓ1 {\displaystyle\ell_{1}} dans un domaine d’ondelettes ou autre), comme par l’estimateur de tamis d’Ulf Grenander ou par les méthodes de pénalité de Bayes ou par la méthode de rugosité d’I.J. Good peut donner des performances supérieures aux méthodes basées sur la maximisation des attentes qui impliquent une fonction de vraisemblance de Poisson mais n’impliquent pas un tel préalable.Correction d’atténuation

: L’imagerie TEP quantitative nécessite une correction d’atténuation. Dans ces systèmes, la correction d’atténuation est basée sur un balayage de transmission utilisant une source de tige rotative 68Ge.

Les balayages de transmission mesurent directement les valeurs d’atténuation à 511 keV. L’atténuation se produit lorsque les photons émis par le radiotraceur à l’intérieur du corps sont absorbés par un tissu intervenant entre le détecteur et l’émission du photon. Comme différents L doivent traverser différentes épaisseurs de tissu, les photons sont atténués de manière différentielle. Le résultat est que les structures profondes du corps sont reconstruites comme ayant une absorption faussement faible de traceurs. Les scanners contemporains peuvent estimer l’atténuation à l’aide d’un équipement de tomodensitométrie à rayons X intégré, à la place des équipements antérieurs qui offraient une forme brute de tomodensitométrie utilisant une source de rayons gamma (émission de positons) et les détecteurs TEP.

Bien que les images corrigées par atténuation soient généralement des représentations plus fidèles, le processus de correction est lui-même sensible à des artefacts importants. En conséquence, les images corrigées et non corrigées sont toujours reconstruites et lues ensemble.

Reconstruction 2D/3D: Les premiers scanners TEP n’avaient qu’un seul anneau de détecteurs, d’où l’acquisition des données et la reconstruction ultérieure se limitaient à un seul plan transversal. Les scanners plus modernes comprennent maintenant plusieurs anneaux, formant essentiellement un cylindre de détecteurs.

Il existe deux approches pour reconstruire des données à partir d’un tel scanner: 1) traiter chaque anneau comme une entité distincte, de sorte que seules les coïncidences dans un anneau soient détectées, l’image de chaque anneau peut ensuite être reconstruite individuellement (reconstruction 2D), ou 2) permettre de détecter des coïncidences entre les anneaux ainsi qu’à l’intérieur des anneaux, puis reconstruire l’ensemble du volume ensemble (3D).

Les techniques 3D ont une meilleure sensibilité (car plus de coïncidences sont détectées et utilisées) et donc moins de bruit, mais sont plus sensibles aux effets de la dispersion et des coïncidences aléatoires, tout en nécessitant des ressources informatiques plus importantes. L’avènement des détecteurs à résolution temporelle inférieure à la nanoseconde permet une meilleure réjection des coïncidences aléatoires, favorisant ainsi la reconstruction d’images 3D.

Temps de vol (TOF) PET: Pour les systèmes modernes avec une résolution temporelle plus élevée (environ 3 nanosecondes), une technique appelée « Temps de vol » est utilisée pour améliorer les performances globales. Le PET de temps de vol utilise des détecteurs de rayons gamma très rapides et un système de traitement de données qui peuvent décider plus précisément de la différence de temps entre la détection des deux photons. Bien qu’il soit techniquement impossible de localiser exactement le point d’origine de l’événement d’annihilation (actuellement à moins de 10 cm), la reconstruction de l’image reste donc nécessaire, la technique TOF apporte une amélioration remarquable de la qualité de l’image, en particulier du rapport signal sur bruit.

Combinaison de TEP avec CT ou irm

Les TEP sont de plus en plus lues aux côtés des tomodensitogrammes ou de l’imagerie par résonance magnétique (IRM), la combinaison (appelée « co-enregistrement ») donnant des informations à la fois anatomiques et métaboliques (c’est-à-dire quelle est la structure et ce qu’elle fait biochimiquement). Parce que l’imagerie TEP est la plus utile en combinaison avec l’imagerie anatomique, telle que la tomodensitométrie, les scanners TEP modernes sont désormais disponibles avec des scanners TEP intégrés haut de gamme à rangées de détecteurs multiples (appelés « TEP-CT »). Du fait que les deux balayages peuvent être effectués en séquence immédiate au cours d’une même séance, le patient ne changeant pas de position entre les deux types de balayages, les deux ensembles d’images sont enregistrés plus précisément, de sorte que les zones d’anomalie sur l’imagerie TEP peuvent être mieux corrélées avec l’anatomie sur les images CT. Ceci est très utile pour montrer des vues détaillées d’organes ou de structures en mouvement avec une variation anatomique plus élevée, ce qui est plus courant en dehors du cerveau.

À l’Institut de Neurosciences et de biophysique de Jülich, le plus grand appareil d’IRM PET au monde a commencé à fonctionner en avril 2009: un tomographe à résonance magnétique (MRT) de 9,4 tesla combiné à un tomographe à émission de positons (PET). Actuellement, seuls la tête et le cerveau peuvent être imagés à ces forces de champ magnétique élevées.

Pour l’imagerie cérébrale, l’enregistrement de la tomodensitométrie, de l’IRM et de la TEP peut être effectué sans avoir besoin d’un scanner TEP-CT ou TEP-IRM intégré à l’aide d’un dispositif connu sous le nom de N-localizer.

Limitationsmodifier

La minimisation de la dose de rayonnement chez le sujet est une caractéristique intéressante de l’utilisation de radionucléides à courte durée de vie. Outre son rôle établi en tant que technique de diagnostic, la TEP joue un rôle croissant en tant que méthode d’évaluation de la réponse au traitement, en particulier au traitement du cancer, où le risque pour le patient d’un manque de connaissances sur l’évolution de la maladie est beaucoup plus grand que le risque lié à la radiothérapie test. Les traceurs étant radioactifs, les personnes âgées et les femmes enceintes ne peuvent pas les utiliser en raison des risques posés par les radiations.

Les limites de l’utilisation généralisée du PET découlent des coûts élevés des cyclotrons nécessaires à la production des radionucléides à courte durée de vie pour le balayage du PET et de la nécessité d’un appareil de synthèse chimique sur site spécialement adapté pour produire les produits radiopharmaceutiques après la préparation des radio-isotopes. Les molécules de radiotraceurs organiques qui contiendront un radio-isotope émetteur de positrons ne peuvent pas être synthétisées d’abord, puis le radio-isotope préparé en leur sein, car le bombardement avec un cyclotron pour préparer le radio-isotope détruit tout support organique pour celui-ci. Au lieu de cela, l’isotope doit être préparé d’abord, puis par la suite, la chimie pour préparer tout radiotraceur organique (tel que le FDG) accomplie très rapidement, dans le court laps de temps avant la désintégration de l’isotope. Peu d’hôpitaux et d’universités sont capables de maintenir de tels systèmes, et la plupart des TEP cliniques sont pris en charge par des fournisseurs tiers de radiotraceurs qui peuvent fournir de nombreux sites simultanément. Cette limitation limite la TEP clinique principalement à l’utilisation de traceurs marqués au fluor-18, qui a une demi-vie de 110 minutes et peut être transporté à une distance raisonnable avant utilisation, ou au rubidium-82 (utilisé comme chlorure de rubidium-82) avec une demi-vie de 1,27 minute, qui est créé dans un générateur portable et est utilisé pour les études de perfusion myocardique. Néanmoins, ces dernières années, quelques cyclotrons sur site avec blindage intégré et des « laboratoires chauds » (laboratoires de chimie automatisés capables de travailler avec des radio-isotopes) ont commencé à accompagner les unités TEP dans les hôpitaux éloignés. La présence du petit cyclotron sur site promet de s’étendre à l’avenir à mesure que les cyclotrons se rétrécissent en réponse au coût élevé du transport des isotopes vers des machines PET distantes. Ces dernières années, la pénurie de TEP a été atténuée aux États-Unis, car le déploiement de radiopharmacies pour fournir des radio-isotopes a augmenté de 30% / an.

Comme la demi-vie du fluor-18 est d’environ deux heures, la dose préparée d’un produit radiopharmaceutique portant ce radionucléide subira de multiples demi-vies de désintégration au cours de la journée de travail. Cela nécessite un réétalonnage fréquent de la dose restante (détermination de l’activité par unité de volume) et une planification minutieuse en ce qui concerne l’horaire du patient.