biophysique_4

7/27/2019 biophysique_4

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MMdecine Nucldecine Nuclaireaire

FranFranoisois RouzetRouzet

Service de BiophysiqueService de Biophysique -- MMdecine Nucldecine NuclaireaireCHU BichatCHU Bichat


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Mdecine Nuclaire = utilisation des fins mdicalesde radiolments artificiels

Domaines dapplication Biologie

in vitro= radioanalyse ou Radio-Immuno Assay (RIA)

in vivo= radiotraceur administr au patient Imagerie = scintigraphie Thrapie = radiothrapie interne (ou mtabolique)

IntroductionIntroduction


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PrincipePrincipe

Radiotraceur spcifique dune fonction physiologique, dune voiemtabolique, dune molcule (dun rcepteur)

Dtection externe (non invasive) du parcours/de la distribution du

radiotraceur au sein de lorganisme Scintigraphie monophotonique (TEMP ou SPECT) Tomographie par Emission de Positons (TEP)

Traitement de linformation topographique et quantitative

imagerie par mission imagerie fonctionnelle

Imagerie en MImagerie en Mdecine Nucldecine Nuclaireaire


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imagerie par mission (transmission; rflexion; RMN)

tomodensitomtrie scintigraphie

source

dtecteurs

X


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imagerie fonctionnelle (morphologique ou anatomique)

image dune fonction physiologique

TDM IRM (T2) TEP (18F-DOPA)

Rsolution spatiale infrieure limagerie morphologique

Information de nature diffrente = densit de rcepteur, activitmtabolique, dbit

TEP (18FDG)

TEP (H2150)


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Imagerie molculaireExploration des processus biologiques au niveau cellulaireExploration des processus biologiques au niveau cellulaireet subet sub--cellulairecellulaire in vivoin vivo..

RRcepteurcepteur

LigandLigand

RRcepteurcepteur

LigandLigandradiomarquradiomarqu

Exemple : dtection et quantification de la densit dun rcepteur


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Imagerie molculaire

RX / TDMRX / TDM

USUSIRM(f)IRM(f)

MNMN

Anatomie Physiologie MAnatomie Physiologie Mtabolisme Moltabolisme Molculaireculaire

Particularits des examens de Mdecine Nuclaire

Faible rsolution spatialeHaute sensibilit (10-12 10-15 mole/l)


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PerfusionPerfusion

myocardiquemyocardique(souris)(souris)

Imagerie du petit animal


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RadiotraceursTraceurs : principesMarqueurs

Mthodes de dtection

Gamma camraPrincipe : cristal, photomultiplicateur, collimationModes dacquisition

Tomographie par mission de positonsPrincipe

Modes dacquisition

Mthodes danalyse des informationsPrincipales applications cliniques

Plan


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RadiotraceursRadiotraceurs


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Il est habituellement compos

dun vecteurvecteur: partie physiologiquement active dun marqueurmarqueur: isotope radioactif, qui permet la dtection du

traceur

TraceurTraceur : substance physiologiquement indiscernable de lasubstance trace (tudie) mais dtectable indpendamment decelle-ci.

Introduit en quantit minime, il ne modifie ni lquilibre ni le parcoursde la substance trace.

RadiotraceursRadiotraceurs


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Isotope radioactif :

chimiquement identique llment stable (Z identique) physiquement diffrent (mission dun rayonnement)

Administration dun mlange de llment stable (127

Iode) et delisotope radioactif (123Iode) Biodistribution identique Dtectabilit de lisotope radioactif

Scintigraphie thyrodienne

Administration de 4 11 MBq de 123Iode (picomole) Quantification de la captation de liode par la thyrode

Exemple : mExemple : mtabolisme de ltabolisme de lIodeIode


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Particules : TEL lev, parcours fini (quelques dizaines m)Particules - et lectrons Auger : TEL moyen, parcours fini (mm/cm)

Particules + : TEL moyen, parcours fini (mm/cm) mais mission de 2photons dannihilation

Photons X ou : TEL trs faible, parcours de type I(x) = I0 . e-x

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Distance

I/I0

Parcours des photonsParcours des photons

RadiotraceursRadiotraceurs : marqueurs: marqueurs


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Donc 2 types dimagerie en fonction du marqueur :

metteur gamma-camra

metteur +

tomographie par mission de positons (TEP)

Pas dimagerie possible avec les particules ni avecles lectrons

mais utilisables en thrapie (transfert dnergie par ionisation)

certains radiolments sont metteurs - et

RadiotraceursRadiotraceurs : marqueurs: marqueurs


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Radiolment libre se comportant comme un traceur123I, 131I : thyrode; 201Thallium : perfusion myocardique; 18Fluor : os;81mKrypton : ventilation pulmonaire

Radiolment associ un vecteur non biologique : la majorit

Radiolment associ un vecteur biologique99mTc et hmaties : ventriculographie, recherche de saignement occulte99mTc et macro-agrgats dalbumine humaine : perfusion pulmonaire99mTc et polynuclaires : recherche dinfections bactriennes

RadiotraceursRadiotraceurs : exemples: exemples


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Radiolment intgr un vecteur biologique :11C (metteur de positons) la place dun atome de 12C (stable)

dans les molcules organiquesH

2

150 : eau marque par un metteur de positons

RadiotraceursRadiotraceurs : exemples: exemples


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Le traceur doit tre physiologiquement indiscernablede lasubstance trace dans le processus physiologique tudi

Le traceur doit pouvoir tre utilis en quantitsuffisammentfaiblepour ne pas intervenir dans le mcanisme tudi( concentration nano voire pico-molaire)

Le marquage ne doit pas modifierle mtabolisme du vecteur(exemple : marquage dun ligand)

Le marquage doit tre stable

RadiotraceursRadiotraceurs : caract: caractristiquesristiques


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Demi-vie(physique) du marqueur adapte la demi-vie(biologique) du vecteur, elle-mme adapte au processusphysiologique tudi

Activit spcifique

Contrainte : quantit de traceur trs faible mais doit tre facilementdtectable et quantifiable activit leve pour une quantit(volume) donne de traceur

a (t) = A (t) / q

Teff Tbiol Tphys

1 1 1= +demi-vie effective

RadiotraceursRadiotraceurs : caract: caractristiquesristiques


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Racteur nuclaireDisponibilit : dpend de la vie et du transportCot relativement faible (grande production)

CyclotronDisponibilit : vie gnralement courte production proximit

du site dutilisation (sauf pour le 18Fluor : T = 110 mn)Cot lev

Gnrateur (Ex : 99mTc; 82Rb)Disponibilit permanente

Cot faible/modr

Marqueurs : productionMarqueurs : production


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99mTechntium : metteur

Utilis en scintigraphie conventionnelle

nergie des photons (140 keV) optimale pour les dtecteurs

Demi-vie (6h) permettant de limiter lexposition des patients,sans que la dcroissance ninterfre avec la qualit desexamens ou la gestion des patients

Disponibilit permanente (gnrateur production partir duMolybdne-99) et faible cot

Adapt au marquage de nombreux vecteurs

Marqueurs :Marqueurs : 99m99mTechnTechntiumtium


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18Fluor : metteur de positons (+)

Utilis en tomographie par mission de positons (TEP)

Demi-vie (110 min) permettant de limiter lexposition des

patients mais ncessitant une bonne coordination entre livraisondu traceur marqu (ex : FDG), injection au patient et acquisitiondes images.

Produit de cyclotron livraison quotidienne / biquotidienne par

un laboratoire radiopharmaceutique Adapt au marquage de nombreux vecteurs

Marqueurs :Marqueurs : 1818

FluorFluor


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MMthodes de dthodes de dtectiontection


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Intractions photons / matireeffet prdominant en fonction de Z et de E

Numroatomique(Z)

100

50

01 100

nergie (MeV)0,1

Effet

photolectrique

Compton

Cration depaires

0,01

99mTc


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cristal scintillantcristal scintillant = m= milieu capable dmettre un rayonnement de

fluorescence aprs interaction avec un photon incident

Types dinteraction :

effet recherch= effet photoeffet photolectriquelectrique(transfert de la totalit de

lnergie du photon 1 seul photolectron) effet non dsir= effet Comptoneffet Compton(transfert partiel de lnergie

plusieurs lectrons avec modification de la trajectoire et perte

dnergie du photon incident)

Interactions du photolectron avec le cristal: excitations multiplesavec mission dun rayonnement de fluorescence dont lnergie est

proportionnelle celle du photon incident (transfert dnergie)

Principe de la dPrincipe de la dtectiontection


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photon incident ()Photoelectron

Rayonnement

de fluorescence

cristalcristal

1. photon incident (105eV)=> effet photolectrique2. Photolectron => ionisations et excitations (cristal)

3. Retour ltat fondamental => fluorescence (

eV)

Principe de la dPrincipe de la dtectiontection


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Compromis entreCompromis entre :

Densit et coefficient dattnuation linaire levs favorise les interactions avec les photons incidents (sensibilit) interaction prdominante : effet photolectrique

Intensit et temps de dcroissance de la scintillation rduit le temps mort et le phnomne dempilement

Epaisseur du cristal

rendement / rsolution spatiale

Le cristalLe cristal


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Photons defluorescencee-

photocathode dynodes

lectrode defocalisation anode

signallectrique

vide

Le photomultiplicateurLe photomultiplicateur


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Transforme le signal lumineuxprovenant du cristal en un signallectriqueproportionnel mais amplifi

La photocathode met des photolectrons la suite de linteraction

avec les photons de fluorescence

Les lectrons sont focaliss vers la 1re dynode puis acclrs parlapplication dune tension entre chaque dynode

Augmentation du nombre de- entre chaque dynode et amplificationdu signal dun facteur ND (avec N : nombre de- recruts surchaque dynode et D : nombre de dynodes) (facteur 1010)



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Signal lectrique proportionnel langle (distance) sparant laxe duPM du point dinteraction du photon incident avec le cristal

I I I I

t t t t t

cristal

PM1

PM2

PM3

1

PM4

PM5

PM6

0

x

y

I I

t

photon incident



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Chaque PM est reli un systme de positionnement permettantde localiser le point dinteraction du photon incident avec lecristal (2 dimensions, plan 0xy)

Par ailleurs, lintgrale de lamplitude du signal fourni par les PMpendant la dure de la scintillation est proportionnelle lnergiedu photon incident= spectromtrie, permettant didentifier les photons en fonctionde leur nergie

signal

nanosecondes

Localisation et identification des photons incidentsLocalisation et identification des photons incidents


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diffusion Compton

Intensit (cps)

Energie140 keV

Exemple : spectre du 99mTc / cristal NaI (Tl)

(raie du 99mTc )

photopicdabsorption

totale

La spectromLa spectromtrietrie


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Intensit (cps)

Energie140 keV

Largeur mi-hauteur (LMH)

Exemple : spectre du 99mTc / cristal NaI (Tl)

(raie du 99mTc )

diffusion Compton

photopicdabsorption

totale

Fentre deslection dnergie



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Une fentre de slection dnergie(dont la largeur dpend de larsolution en nergie du systme) est slectionne de manire naccepter que les photons dont lnergie est proche de lnergie

dmission (limination des photons diffuss)

Intrt galement de la spectromtrie pour les acquisitions en doubleisotope scintigraphie monophotonique uniquement !

(acquisition dans 2 fentres distinctes centres sur le photopic duradiolment utilis comme marqueur)

Energie

Intensit



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zone dinteraction du photon incident avec le cristal

= barycentre du signal issu des photomultiplicateurs

zone dmission dun photon au sein de la source ?

Solutions diffrentes en fonction du rayonnement dtect (marqueur)

Monophotonique (gamma) = collimation physique

Biphotonique (positons) = collimation lectronique(ligne de rponse)

Localisation des photonsLocalisation des photons


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La scintigraphieLa scintigraphie monophotoniquemonophotonique==

((gammagamma--camcamrara dede AngerAnger))


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y

cristal NaI (Tl)

PM1

PM2

PM3

PM4

PM5

PM6

0

x

?SOURCESOURCE

Localisation du point dLocalisation du point dmission du photon incidentmission du photon incident


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PM

CRISTALCOLLIMATEUR

cristal NaI (Tl)

PM1

PM2

PM3

PM4

PM5

PM6

SOURCE

La collimationLa collimation


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Le collimateur a pour fonction de ne laisser pntrer que lesphotons provenant dune direction dtermine

Il est constitu de canaux spars par des cloisons (= septa) dont

le matriau est un mtal lourd (Plomb ou Tungstne)

Lpaisseur des septa est adapte lnergie des photons duradiolment utilis comme traceur

Entrane une baisse importante de la sensibilit (10-4) compromis rsolution spatiale / sensibilit



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Perte de rsolution spatiale en profondeur

septaSolutions :

1. Rduire au maximum la distance

collimateur source (patient)

2. Collimateurs (trs) haute rsolution

Canaux plus troits Septa plus longs



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Lorientation des canaux dtermine le type de collimateur :

le plus frquent = canaux paralllesconserve la gomtrie de la source

Slectionne les photons dont la direction estperpendiculaire la surface du dtecteur

en ventail ou fan-beam :

agrandissement et distorsion gomtrique

amlioration de lefficacit de dtection



41/80

stnop ou pin-holeagrandissement et inversion de limage

La collimationLa collimationLorientation des canaux dtermine le type de collimateur :


42/80


canaux paralllesstnop


43/80

cristal NaI (Tl)

PM1

PM2

PM3

PM4

PM5

PM6

Cristal

Collimateur

Source

Photons

Localisation des

photons incidents

Spectromtrie

Photomultiplicateurs

GammaGamma--camcamrara : synth: synthsese


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Rsolution spatiale : plus petite distance sparant 2 sources

radioactives donnant des images distinctes. Exprime par la largeur mi-hauteur (LMH) de la fonction de dispersion.

objet image

1 1

signalthorique

signalenregistr

LMH

Rsolution intrinsque : sans collimateurRsolution dtecteur = Rintrinsque + RcollimateurRcollimateur = facteur limitant

d d

Intensit Intensit

CaractCaractristiques dristiques dun dun dtecteurtecteur


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Linarit spatiale (distorsion gomtrique) : prcision de la

dtermination des coordonnes du lieu dinteraction du photonincident avec le cristal

Uniformit : variation du taux de comptage (nombre de coups parpixel) du dtecteur en rponse un flux uniforme de photons

Uniformit = x 100Pmax - PminPmax + Pmin

min

max



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Rsolution en nergie : rapport de la largeur mi-hauteur (LMH) dupic dabsorption totale la valeur de lnergie du rayonnementincident (de lordre de 10%)

Le taux de comptage : capacit dtecter un nombre important dephotons par unit de temps (dpend du temps de scintillation ducristal et du temps mort de llectronique)

Sensibilit ou rendement de dtection : nombre de photonsdtects / nombre de photons mis par une source ponctuelle (10-4)



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Diffrentes mthodes dacquisition en fonction :

de lespace

2D = planaires 3D = tomographiques

du temps statiques dynamiques

Modes dModes dacquisitionacquisition


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Acquisition planaire (2D)

Dtecteur immobile par rapport au patientProjection dun volume sur le plan du dtecteur (2D)

Matrice de limage : 64x64 256x256

ANT

POST OPG

OPD



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Examen normal

Scintigraphie pulmonaireScintigraphie pulmonaire


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Embolie pulmonaire

Scintigraphie pulmonaireScintigraphie pulmonaire


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Tomographie dmission monophotonique (3D)

Single photon emission computed tomography (SPECT)

permet dobtenir des coupes de la rgion tudie (3D)

permet galement damliorer le contraste de limage

Technique :

succession dimages planaires acquisessur une orbite (180 ou 360) centre sur largion tudie

reconstruction de coupes + volumes



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exemple : perfusion myocardique

32 images planaires / 180(15 min) Reconstruction tomographies (SPECT)

Tomographie dTomographie dmissionmission monophotoniquemonophotonique


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Reconstruction des coupesObjectif : reconstruction en 3D partir de projections 2D

Principe identique la reconstruction TDM (cf. cours)

1 image planaire = projection dun volume succession dimages planaires reconstruction du volume

Mthodes Rtroprojection filtre (analytique) Reconstructions itratives (MLEM; OSEM)

Tomographie dTomographie dmissionmission monophotoniquemonophotonique

Scintigraphie des rScintigraphie des rcepteurs de la somatostatinecepteurs de la somatostatine


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Fusion SPECT / TDMFusion SPECT / TDM

Tumeur carcinoTumeur carcinodede

TDMTDM SPECT fusionSPECT fusion

Scintigraphie des rScintigraphie des rcepteurs de la somatostatinecepteurs de la somatostatine

S i ti hiS i ti hi b lb l


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NormalNormalMaladieMaladie

ddAlzheimerAlzheimer

Scintigraphie cScintigraphie crrbralebrale


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= acquisition indexe par le temps

Acquisition matricielle: succession dimages planaires intervalle variable parcours du radiotraceur dans lorganisme

Acquisition squentielle(mode liste) : enregistrement laposition de chaque vnement en fonction de son temps desurvenue, permettant une reconstruction a posteriori

synchronisation lECG analyse de la cintique du myocarde

Acquisitions dynamiquesAcquisitions dynamiques


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Synchronisation lECGexemple : ventriculographie isotopique


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Tomographie parTomographie par mission demission depositons (TEP)positons (TEP)


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Radiotraceur marqu par un metteur de positons

Rsolution spatiale 2 (TEP) 4-5 mm (TEP cliniques)Essor considrable li lutilisation du 18F-doxyglucose (FDG) en oncologie

Radiolments utiliss : vie courteActuellement, toutes les camras TEP intgrent un scanner X

Isotope Priode (minutes)11C 2013

N 1015O 218F 11082Rb 1,3

Tomographie parTomographie par EmissionEmission de Positonsde Positons


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18F-doxyglucose (FDG)

glucose glucose-6-P fructose-6-Phexokinase G6P-isomrase

18FDG 18FDG-6-P

Le18

FDG-6-P nest pas mtabolis et reste squestr dans la cellule Son taux daccumulation est proportionnel lutilisation de glucosepar la cellule

Radiotraceur le plus largement utilis en TEP

Tomographie parTomographie par EmissionEmission de Positonsde Positons


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metteur +

e+ + e-

1 511 keV

2 511 keV

annihilationannihilation

TRACEUR

Annihilation des positonsTEP : principeTEP : principe


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Dtecteurs :

cristal de densit et dpaisseur > celles de la scintigraphiemonophotonique (photons plus nergtiques) Nombreux cristaux de petite taille Assembls en couronnes (360)

pas de collimateur : collimation lectronique

TEP : principeTEP : principe


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Bloc dtecteur


cristaux photomultiplicateurs


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1 511 keV

2 511 keV

Les 2 photons de 511 keVsont dtects dans unintervalle de temps

(fentre de concidence)dtermin (quelquesnanosecondes)

ligne de rponse

Dtection en concidence

Couronne de dtecteurs



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Types de concidences dtectesA

B

C

A : concidence vraie

B : concidence fortuite(alatoire)

C : concidence diffuse

Ligne de rponse



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Acquisition volumique : ensemble des couronnes Reconstruction volumique

AvantageAugmentation importante de la sensibilit : rduction de

lactivit injecte et de la dure de lexamen, acquisitionsdynamiques

Inconvnient

Modle de reconstruction plus complexe (beaucoup plus deconcidences fortuites et diffuses) et quantification moinsprcise

Mode tri-dimensionnel (3D)TEP : modes dTEP : modes dacquisitionacquisition


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TEP / TDM : camTEP / TDM : camra hybridera hybride


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mission non corrige

TEP / TDM : correction dTEP / TDM : correction dattattnuationnuationLa correction dattnuation en TEP Attnuation des photons dannihilation fonction de la densit des tissus

traverss Carte dattnuation fournie par la TDM Rsultat : image de la rpartition du traceur corrige de lattnuation Permet la quantification de la concentration du traceur dans le tissu

carte dattnuation

(transmission)

mission corrige


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Scanner sur lensemble du champ explorer : reprage + correction

dattnuation (hlicodal) Largeur du champ de vue TEP : environ 20 cm Translations successives du lit pour couvrir tout le champ Pour chaque position du lit, acquisition de limage dmission (TEP, de

2 3 minutes) Reconstruction TEP sans et avec correction dattnuation Prsentation des rsultats sans ou avec fusion

Droulement de lexamenTEP : modes dTEP : modes dacquisitionacquisition


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Quantification en TEP

Faible attnuation (511 keV) Correction dattnuation

Bonne rsolution spatiale

Correction de leffet de volume

partiel

Quantification absolue duphnomne tudi

Quantification absolue

En routine

SUV (Standardized Uptake Value) =

TEP : quantificationTEP : quantification

Concentraction du traceur (MBq/Kg)

Activit injecte (MBq) / poids du patient (Kg)

BiodistributionBiodistribution dudu 1818FF--ddoxyglucose (FDG)oxyglucose (FDG)


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BiodistributionBiodistribution dudu FF ddoxyglucose (FDG)oxyglucose (FDG)

Volume (MIP 3D) Coupe frontale (2D)

BiodistributionBiodistribution dudu 1818FF--ddoxyglucose (FDG)oxyglucose (FDG)


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BiodistributionBiodistribution dudu FF ddoxyglucose (FDG)oxyglucose (FDG)

TEP noncorrige

TDM : cartedattnuation

TEP corrigede lattnuation

FusionTEP/TDM

==

Exemple : Cancer bronchoExemple : Cancer broncho--pulmonairepulmonaire


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Exemple : Cancer bronchop pulmonairep

Coupe frontale Coupe sagittale

Volume (MIP 3D)

TEP et oncologie : indicationsTEP et oncologie : indications


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11 -- CaractCaractrisationrisation de masses tumoralesde masses tumorales22 -- DDtection de tumeur primitivetection de tumeur primitive

33 -- Bilan de lBilan de l extension mextension mtastatiquetastatique

44 -- EvaluationEvaluation de lde lefficacitefficacit ththrapeutiquerapeutique55 -- Diagnostic de rDiagnostic de rcidivecidive

66 -- Diagnostic de masses rDiagnostic de masses rsiduellessiduelles

77 -- PronosticPronostic

g


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MMtodestodes ddanalyse desanalyse desinformationsinformations

Mthodes danalyse des informations


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Analyse visuelle (qualitative)

Valeur du pixel = activit du radiotraceur

Visualisationchelle de grischelle de couleurs

0

50

100

150

200

250

0

0

.1

8

0

.3

6

0

.5

4

0

.7

2

0

.9

0

1

.0

8

1

.2

6

1

.4

4

1

.6

2

1

.8

0

1

.9

8

2

.1

6

2

.3

4

2

.5

2

2

.7

0

2

.8

8

distance

valeu

r

d

u

p

ixel

MM

thodes dthodes d

analyse des informationsanalyse des informations

Mthodes danalyse des informations


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QuantificationAbsolue : prlvements / TEP

Relative : gamma-camra / TEP

Reprsentation de la quantification Valeur : absolue / relative Image paramtrique : valeur du pixel = paramtre tudi

image brute amplitude phase

MM

thodes dthodes d

analyse des informationsanalyse des informations

PerspectivesPerspectives


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Dveloppement de nouveaux traceurs plus spcifiques

Domaines : oncologie, cardio-vasculaire, neurologie (Alzheimer)

volution des mthodes de reconstruction

volution technologique : amlioration des performances des dtecteurs(sensibilit, rsolution spatiale)

Camra hybride : TEP-IRM

Semi-conducteurs


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Matriau dont la conductivit lectrique se situe entre celle dunisolant et celle dun conducteur (mtal)

Bande de valence

Bande de conduction

E

Bande de valence

Bande de conduction

E

Bande de valence

Bande de conduction

E

isolant semi-conducteur mtal

E

Semi-conducteurs


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Cadmium-Zinc-Tellure (CZT)

Amlioration de la rsolution nergtique et du taux de comptage Encombrement moindre

Technologie utilise dans les gamma-camras rcentes

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