CEA/SHFJ 1ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Quantification
en SPECT/PET
Philippe Ciuciu (CEA/SHFJ)
http://www.madic.org/people/ciuciu
CEA/SHFJ 2ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Cours préparé à partir des cours de Master de physique
médicale, Univ. Paris Sud (Orsay)
d‘Irène Buvat (CNRS, INSERM U678)
Et
de Régine Trébossen (CEA/SHFJ)
CEA/SHFJ 3ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Au delà des images : la quantification
Etablir la relation entre la valeur d’un pixel et la concentration de radiotraceur dans la région correspondante
N
X kBq/ml
CEA/SHFJ 4ESIEA – quantification en SPECT/TEP
• Le diagnostic différentiel
• Le pronostic
• La prise en charge et le suivi thérapeutique
Introduction : pourquoi la quantification ?
densité de transporteurs dopaminergiques type de démence
grade de la tumeur survie
fraction d’éjection traitement
régression du métabolisme glucidique poursuite du traitement
Caractérisation objective des observations, susceptible d’améliorer :
CEA/SHFJ 5ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Obstacles à la quantification
Mouvements du patient :
PhysiologiquesInvolontaires
Statistiques émission
aléatoire des photons ou des
positons
Physiquesatténuation, diffusion, fortuits (PET)
Technologiquesuniformité
résolution spatiale limitée et non-stationnaire
bruit de mesuretemps mort
Algorithmiquesreconstruction tomographique
CEA/SHFJ 6ESIEA – quantification en SPECT/TEP
2 types de mouvements : fortuits physiologiques : cardiaque, respiratoire, …
Respiration normale : mouvement d’amplitude de 1 à 3 cm, ~ x18 /mn
SPECT cardiaque
Pitman et al, J Nucl Med 2002:1259-1267
modification du rapport d’activité antérieure/latérale de ~25%
PET FDG pulmonaire
Nehmeh et al, J Nucl Med 2002:876-881
volume apparent des lésions augmenté de 10% à plus de 30% du fait du mouvement
valeur de fixation diminuée de 5% à plus de 100%
avec flou cinétique
« sans » flou cinétique
Le mouvement et ses conséquences
CEA/SHFJ 7ESIEA – quantification en SPECT/TEP
• Mouvements fortuits : tendre vers des examens plus courts
• Mouvements physiologiques :- pas de correction systématique- synchronisation cardiaque classique (TEP / TEMP)- vers la synchronisation respiratoire (notamment TEP
oncologique pulmonaire)
Corrections de mouvements : état de l’art ?
CEA/SHFJ 8ESIEA – quantification en SPECT/TEP
• Dépend du lieu d’émission sur la ligne de projection
• Dépend de la densité du milieu atténuantépaisseur d’atténuation moitié (EAM) à 140 keV
poumons m = 0,04 cm-1
tissus mous m = 0,15 cm-1
os cortical m = 0,30 cm-1
• Dépend de l’énergie des photons EAM dans l’eau Tc-99m (140 keV) EAM = 4,8 cm Tl-201 (70 keV) EAM = 3,6 cm
Atténuation en SPECT
*N0
d
0 18 cm
0 5 cm
N = N0 exp -(l) dl d
0
CEA/SHFJ 9ESIEA – quantification en SPECT/TEP
• Ne dépend pas du lieu d’émission sur la ligne de projection
• Dépend uniquement de l’atténuation intégrale sur d1+d2=D
• Dépend de la densité du milieu atténuant comme en SPECT
• Identique pour tous les émetteurs de positons puisque tous donnent lieu à des photons g de 511 keV A 511 keV, = 0,096 cm-1 dans les tissus mous ( = 0,15 cm-1 à 140keV)
• Plus pénalisante en PET, car 2 photons doivent atteindre le détecteur
N1 = N+ exp -(l) dl d1
0 *d1
d2N2 = N+ exp -(l) dl
d2
0
N1 N2 = N+2 exp -(l) dl = N+
2 exp -(l) dl d1
d2
0
D
Atténuation en PET
CEA/SHFJ 10ESIEA – quantification en SPECT/TEP
TEMP TEP
• pas de quantification absolue possible sans correction de l’atténuation• dépend de la densité des tissus atténuants
sous-estimation de l’activité de plus de 70%
non atténué atténué
230
241
27
14
atténué non atténué
L’atténuation et ses conséquences
CEA/SHFJ 11ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Préalable à une correction efficace : mesure de la densité des tissus atténuants par un dispositif d’acquisition en transmission ou par TDM
N = N0 exp -(l)dl d
0N0 cartographie des
reconstruction tomo
N
Corrections• Modélisation de l’effet de l’atténuation dans le projecteur utilisé lors de la reconstruction itérative
• Multiplication des sinogrammes par des facteurs de correction C exacts avant reconstruction
p = R f
N1
N2
N1 N2 = N+ exp -(l) dl
0
dN+
C = N/ N
Corrections d’atténuation
CEA/SHFJ 12ESIEA – quantification en SPECT/TEP
• Mouvement du patient entre les examens émission et transmission
en SPECT cardiaque, décalage de 3 cm variabilités d’intensité mesurées allant jusqu’à 40%
en SPECT cérébral, décalage de 2 cm asymétries de fixation et des variabilités d’intensité allant jusqu’à 20 %
•Solutions potentiellesrecalage des images émission et transmissionacquisitions émission/transmission simultanées
avec traitement des problèmes de contamination
tx = 0 cmty = 0 cm
tx = 2,2 cmty = 0 cm
x
y
Mouvement et correction d’atténuation
CEA/SHFJ 13ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Bruit et correction d’atténuation en SPECT • Bruit dans les cartes des propagation du bruit lors de la correction d’atténuation
• Solutions potentielles- filtrage des cartes des
non concordance de résolution spatiale entre données de transmission et d’émission à l’origine d’artefacts aux interfaces - segmentation des cartes des et affectation de valeurs de a priori dans les différentes régions (os, tissus mous, poumons)
segmentation des différents tissushypothèse abusive de valeur de uniforme dans chaque tissuchoix des valeurs de
CEA/SHFJ 14ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Une solution ? Les systèmes bimodaux avec CT
cartographie des coefficients d’atténuation m dérivée du CTmais…
l’utilisation de la carte des dérivée du CT n’est pas sans poser d’autres problèmes
CEA/SHFJ 15ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Utilisation du CT pour la correction d’atténuation
• CT acquis « instantanément » : les images correspondent à une position fixe des organes (notamment les poumons) pendant le cycle respiratoire• SPECT acquis sur une longue durée : les images correspondent à la position moyenne des organes pendant le cycle respiratoire
• Les frontières des organes ne sont pas superposables : artéfacts potentiels aux interfaces entre milieux de densités très différentes (poumons tissus mous par exemple).
Problème du flou respiratoire :
CEA/SHFJ 18ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Les corrections existent, sont implémentées sur les machines TEMP et TEP, et sont efficaces
mais …
Nakamoto et al, J Nucl Med 2002:1137-1143
CT Ge68
Concentrations d’activité environ 10% supérieure avec la correction utilisant la carte CT
• En TEP : travaux concernant la carte des :- pour réduire le bruit : segmentation, filtrage
- pour mettre à l’échelle les valeurs des : segmentation, interpolation- pour travailler à la même résolution spatiale en transmission et émission- pour compenser les flous cinétiques différents en TEP/CT
• En TEMP : manque de disponibilité des dispositifs d’acquisition en transmission pour la mesure de carte des
Conclusions sur la correction d’atténuation
CEA/SHFJ 19ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Diffusion Compton en SPECT(E)
e- e-
(E’)
E’ =1 + E (1 - cos )/m0c2
E * *
photons mal localisés photons ayant perdu de l’énergie
non diffusés
60 100 140
d1d2d3d4
fenêtre spectrométrique
d’acquisitionTc-99m(E=140 keV)
N
énergie (keV)
CEA/SHFJ 20ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Diffusion en PET
• Dans le patient (1 ou 2 photons diffusés)• Dans le cristal
coïncidences mal localiséesdétection possible de coïncidences en dehors de l’objet
photons ayant perdu de l’énergie
(E)
e- e-
(E’)
*
**
SPECT PET
CEA/SHFJ 21ESIEA – quantification en SPECT/TEP
TEP
~ 30% des photons détectés dans la fenêtre spectrométrique sont diffusés (Tc99m)
PET 2D : ~30%PET 3D : > 50%
*
surestimation locale de l’activité > 10% (jusqu’à plus de 30%)
réduction des rapports d’activité lésion / fond
TEMP
La diffusion et ses conséquences
CEA/SHFJ 22ESIEA – quantification en SPECT/TEP
• Approches spectrométriques empiriques (surtout en TEMP)
keV
I2 I1
Icorrigé = I1 - k I2Soustraction de Jaszczack
photons diffusés
= / k
image reconstruite sans correction de la
diffusion
projections des photons diffusés
image corrigée de la
diffusion
• Modélisation simplifiée de la distribution des photons diffusés à partir d’une image reconstruite sans correction de diffusion et de la cartographie de densité du milieu atténuant
projections acquises
-
projections corrigées de la
diffusion
La correction de la diffusion
CEA/SHFJ 24ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Vers des approches de modélisation de la distribution des photons diffusés à partir d’une première estimée de la distribution d’activité et de la cartographie du milieu atténuant
densité des tissus
modèle de la fonction de réponse « diffusé »
reconstruction tomographique itérative intégrant un modèle de la diffusion
s
Très coûteux en temps calculmais repositionne les photons diffusés, d’où meilleur RSB
Corrections de diffusion : perspectives
CEA/SHFJ 25ESIEA – quantification en SPECT/TEP
=
10086
Intensité maximale 100
10 mm
fonction de réponse du détecteur
image observée
résolution spatiale6 mm
12 mm
contraste max
0
50
100
2 6 10 14 18dimension (mm)
L’effet de volume partiel en SPECT et PET
• Sous-estimation de l’activité dans les structures de petite taille dépendantdu contraste objet / fondde la dimension de l’objet de la résolution spatiale du système
affecte les structures de taille <2-3 FWHM
CEA/SHFJ 26ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Correction de volume partiel : stratégies
dimension (mm)
max
0
50
100
2 6 10 14 18
Inverse du coefficient de recouvrement
= + .Afond.Aputamen
anatomie anatomie
fonction fonction
- coefficients de recouvrement
- modélisation anatomo-fonctionnelle
• Quelques travaux en PET, très peu en SPECT
résolution spatiale 12mmcontraste infini
CEA/SHFJ 27ESIEA – quantification en SPECT/TEP
• Correction délicate, nécessitant une information anatomique haute résolution• Correction sensible aux erreurs de segmentation et aux différences entre anomalies anatomiques et fonctionnelles• Non disponible en routine• Le futur : exploitation de l’information CT pour faciliter une mise en œuvre ?
120100
80604020
0
valeur idéalettes corrections sauf volume partiel
ttes corrections
activité restituée dans les putamen (%)
SPECT
Performances et conclusions sur la correction de volume partiel
CEA/SHFJ 28ESIEA – quantification en SPECT/TEP
**
leur nombre varie comme le carré de l’activité dans le champ de vue : N = 2 S1 S2
• 2 méthodes de correction efficaces en ligne :- fenêtre temporelle de coïncidence décalée dans le temps- estimation à partir des taux d’événements simples S1 et S2
pas de biais majeur lié à la détection de coïncidences fortuites
• Augmentation du bruit consécutive à leur soustractionaugmentation de la variabilité associée aux mesures
Les coïncidences fortuites en TEP
CEA/SHFJ 29ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Estimation via une ligne retard• Utilisation de deux circuits de coïncidences
détecteur 1
*détecteur 2
temps
détecteur 1
*détecteur 2
temps
*
** fenêtre de coïncidence classique (12 ns) enregistrant
coïncidences vraies+ coïncidences fortuites
+1 ssi ≤12ns
fenêtre de coïncidence (12 ns) décalée de 64 ns enregistrant
uniquement lescoïncidences fortuites
+1 ssi 64ns≤≤76ns
CEA/SHFJ 30ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Estimation via les événements non coïncidents
• Nombre de coïncidences fortuites pour une ligne de coïncidence entre les détecteurs 1 et 2 :
Nrandom 1-2 = 2 S1 S2
longueur de la fenêtre de coïncidence
détecteur 1 :S1 singles
**
détecteur 2 :S2 singles
CEA/SHFJ 31ESIEA – quantification en SPECT/TEP
SPECT cérébral du système
dopaminergique
120100
80604020
0putamen fond
idéal
sans correction
atténuation
atténuation+diffusion
atténuation+rés. spatiale
atténuation+diffusion+rés.
spatiale
atténuation+diffusion+rés.
spatiale+ volume partiel
activité restituée (%)
Synthèse : importance relative des différents biais
CEA/SHFJ 32ESIEA – quantification en SPECT/TEP
• Quantification : accessible, en PET et en SPECT
• Quantification absolue fiable = processus complexe, nécessitant une cartographie de la densité des tissus, un protocole d’acquisition et d’analyse rigoureusement contrôlé, et idéalement, une cartographie anatomique haute résolution
• Quantification fiable plus aisée en PET qu’en SPECT, du fait de la correction d’atténuation plus accessible et de la meilleure résolution spatiale, mais reste difficile en TEP
• Détecteurs bimodaux PET/CT et SPECT/CT pourraient jouer un rôle majeur pour faire de la quantification une réalité clinique
• Problème du volume partiel reste l’obstacle majeur à la quantification des structures de petites tailles
Conclusions sur la quantification
CEA/SHFJ 33ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Au delà de la mesure de « fixation » : la modélisation
Exploiter les mesures de concentration de radiotraceur pour estimer des paramètres
physiologiques caractérisant les processus étudiés
N X kBq/ml
CEA/SHFJ 34ESIEA – quantification en SPECT/TEP
Estimation de paramètres physiologiques
séquence d’images dynamique
cinétique associéeà une région
connaissances biochimiques
modèle
paramètres physiologiques relatifs à la région,
e.g., constante d’échange, flux sanguin, densité de
récepteurs
ajustement des mesuresau modèle
prélèvement sanguin
fonction d’entrée