la medecine nucleaire -...

__ Faculté de Médecine de LILLE _____________________ Biophysique et Imagerie Médicale __

____ Dr S. Coequyt 97 - 98 ________________________________________________

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LA MEDECINE NUCLEAIRE

La médecine nucléaire est une discipline médicale, à visée diagnostique (scintigraphie,radio-immunologie) ou thérapeutique (radiothérapie métabolique).

La détection externe du rayonnement γ ou X , suite à l’administration d'un isotoperadioactif permet une imagerie morphologique (répartition de l’activité) et fonctionnelle (étudedu métabolisme) des différents organes. Le squelette, le cœur, les poumons, la thyroïde, lesreins, le cerveau..., pratiquement tous les organes sont quotidiennement explorés.

De nombreux radio-isotopes sont des émetteurs gamma. Le rayonnement gamma est unrayonnement électromagnétique issu du noyau d'un atome devenu instable suite à unetransformation radioactive. Les gamma - caméras sont des dispositifs adaptés à la détectionexterne de ce type de rayonnement.

Le spectre des rayonnements électromagnétiques usuels est rappelé ci-dessous.

λ Α( ) =12400E ev( )

Les rayons gamma émis pardésexcitation des noyaux radioactifs nereprésentent qu'une petite région du spectreen énergie, approximativement de 10 keV à10 MeV.

Les énergies utilisées en imageriescintigraphique sont habituellement de 80 à300 keV.

rayons X

rayons γ

infrarouge

A°10 - 6

10- 3 A°

A°1

100 nm

100 µm

100 mm

100-400 nm : ultraviolet

400-800 nm : visible

Initialement appliqué à la recherche, l'emploi des isotopes radioactifs a modifié la visiondu monde vivant. La biologie, jusqu’alors essentiellement descriptive, a bénéficié d'une approchefonctionnelle et physiologique. Rapidement, les techniques de recherche ont été appliquées audomaine clinique. Voici quelques dates de travaux significatifs :

Claude BERNARD (1860) :Par l'exemple célèbre de l'étude de la fonction glycogénique du foie (Introduction à la

méthode expérimentale), la biochimie permettait une analyse des constituants de la matièrevivante. Cet abord conduisait à une « photographie », à un état instantané de la compositionmoléculaire d'un organe.


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Henri BECQUEREL (1896) :Découverte de la radioactivité de l'uranium, d’où l'unité légale de radioactivité

1 Bq = 1 désintégration par seconde.

Pierre et Marie CURIE (1898) :Découverte du Polonium et du Radium, d'où l’unité pratique de radioactivité,

correspondant à l'activité d'un gramme de radium en équilibre avec ses descendants.1 Ci = 3,7 1010 désintégrations par seconde = 3,7 1010 Bq.

Ernest RUTHERFORD (1910) :Découverte de la structure planétaire de l'atome, ainsi que de la nature des rayonnements

α, β, γ.

Frederick SODDY (1914) :Introduction de la notion d'isotopes, éléments qui ont les mêmes propriétés chimiques,

mais qui ne sont pas forcément radioactifs.

Georges de HEVESY (1923) :Notion d'indicateur, de traceur biologique, à la base de la médecine nucléaire.

Irène et Frédéric JOLIOT - CURIE (1934) :Découverte de la radioactivité artificielle. Dès cette époque, pratiquement tous les

composants de la matière vivante ont pu être synthétisés à partir d'isotopes radioactifs.

Les premiers services de médecine nucléaire furent créés en France vers 1950.

La spécialité de Médecine Nucléaire dans la région Nord-Pas - de - Calais :

En 1984, il existait deux services de médecine nucléaire. En 1997, il y en a douze, septdans le Nord, cinq dans le Pas-de-Calais.

Depuis 1990, la médecine nucléaire est une spécialité médicale reconnue par un DES.Les spécialistes de médecine nucléaire ont l’autorisation d'utiliser des isotopes

radioactifs, en sources non scellées, à des fins diagnostiques ou thérapeutiques. Une autrespécialité, la radiothérapie, emploie aussi des sources radioactives, mais il s'agit de sourcesscellées, c’est à dire non fractionnables (Cobalt, radium, iridium, ...).

I LES DOMAINES D'ACTIVITÉ DE LA MÉDECINE NUCLÉAIRE

Il existe trois grands domaines en médecine nucléaire :

la médecine nucléaire in - vitrola médecine nucléaire in - vivola thérapeutique ou radiothérapie métabolique.


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I - 1 ) In - vitro : la radio - immunologie

Les isotopes radioactifs ne sont pas administrés au malade.

La radio - immunologie permet le dosage d'une substance S dans un milieu biologique,forcément complexe.

Un réactif spécifique (anticorps), est dirigé vers la substance, selon la réaction réversible:

R + S↔ RSEn marquant le réactif R ou la substance S, (R*, S*), on peut mesurer la concentration

de nombreux composants biologiques à partir de courbes d’étalonnage.

hormones stéroïdienneshormones thyroïdiennes : TSH, FT 3, FT 4, ...hormones pancréatiques : insuline, glucagon, ...hormones hypophysaires : GH, prolactine, ...médicaments : digoxine, ...

L'isotope radioactif actuellement le plus souvent utilisé en radio-immunologie est l'iode125 : l’125 I de période d'environ 2 mois se désintègre par capture électronique et émet unrayonnement X d'énergie proche de 30 keV.

Cette technique de laboratoire, mise au point en 1960 par YALOW et BERSON (PrixNobel, 1977), reste actuellement une des principales techniques de référence pour les dosagesbiologiques nécessitant une grande précision et une spécificité importante.

I - 2 ) In-vivo : la scintigraphie

Après administration au malade, les isotopes radioactifs sont utilisés pour des examensdynamiques : métabolisme du fer, étude de la masse sanguine, mesure du débit sanguin ...

Mais surtout, la détection externe du rayonnement conduit à l'étude de la répartitionspatiale et temporelle de la molécule et donc à une image. L'image sera à la fois morphologiquedécrivant la forme de la structure étudiée, mais aussi fonctionnelle, évaluant le métabolisme et lacapacité fonctionnelle de l'organe.

I - 3 ) Thérapeutique : la radiothérapie métabolique

La radiothérapie métabolique est actuellement basée sur l'effet thérapeutique durayonnement ß- émis par l'isotope 131 de l'iode : (ß- : E moy. = 200 keV).

Ces électrons, caractérisés par un parcours moyen d'environ un millimètre au sein destissus mous de l'organisme, créent des lésions cellulaires localisées à l'organe irradié,secondairement létales, à faible débit de dose.


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L'existence d'une émission γ secondaire (365 keV), autorise de surcroît la détectionexterne, et donc l'étude morphologique des lésions éventuelles, qui sont alors traduites par unfoyer d'hyperfixation.

Principales indications de l’iode 131 en pathologie thyroïdienne :

- Maladie de Basedow et autres hyperthyroïdies5 à 20 mCi sont administrés. L’activité est calculée en fonction de la masse du

parenchyme thyroïdien fonctionnel, du taux de fixation maximal et de la période effective duradioélément.

- Nodule chaud autonome et extinctif (adénome de Plummer)Activité standard de 20 ou de 25 mCi.

- Cancers thyroïdiens différenciésDétection des résidus post - chirurgicaux ou des métastases par une activité de 5 mCi.Traitement des résidus ou des métastases par des activités de 100 ou de 150 mCi.

Il existe d'autres modalités de traitement radio - isotopique, citons la 131 I-MIBG pour letraitement des phéochromocytomes malins, des tumeurs carcinoïdes ou des neuroblastomes, ainsique le Strontium radioactif pour le traitement des métastases osseuses douloureuses des cancersprostatiques.

De nombreuses autres applications sont utilisées en routine, ou sont en développement.

II DE LA RADIOACTIVITÉ À L'IMAGE

II - 1 ) Les isotopes radioactifs

Lorsque l’on réalise une étudesystématique de tous les noyaux, présentsdans la nature ou fabriqués par la technique,et que l’on représente selon le diagramme(N , Z) leur répartition, les noyaux stablessont situés dans une zone proche de labissectrice principale.

Il existe environ 300 noyaux stables,situés à l'intérieur de la zone, appeléevallée de stabilité, grisée sur le schéma.

Les noyaux des zones I, II, III sontinstables, c’est à dire radioactifs.

N = Z

N

Z

126

I

II

III

83


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II - 2 ) Les processus de désintégration

Dans la zone I, les noyaux sont tropriches en neutrons, ils subiront unedésintégration ß- (bêta moins).

Z → Z + 1

01 n → 1

1 p + −10 e + 0

0 ν

Dans la zone II, les noyaux sont tropriches en protons, ils subiront unedésintégration ß+ ou bien une captureélectronique (CE).

Z → Z − 1

11 p → 0

1 n + + 10 e + 0

0 ν

c' est l' émission β+ , ou alors :

11 p + − 1

0 e → 01 n + 0

0 νc' est la capture électronique.

Dans la zone III, les noyaux sont troplourds car trop riches en protons et enneutrons. Ils se désintègrent par processusalpha ou par fission pour les noyauxd'Uranium, de Thorium ou de Plutonium.

Z → Z − 2

ZA X → Z −2

A− 4 Y + 24 α

c' est le processus alpha.

Les isotopes émetteurs alpha ou fissibles ne sont pas utilisés en médecine nucléaire, enraison de leur radio-toxicité élevée après ingestion ou inhalation.

Ils sont par contre peu dangereux hors de l'organisme du fait de leur longue période.

Par exemple, l’uranium 238, de demi-vie 4,5 10 9 ans ne « subit » que 500désintégrations par jour et par gramme.

II - 3 ) Emission gamma et conversion interne

Après transformation, surtout pour les désintégrations ß et CE , les noyaux ne sont plusdans un état stable, ils possèdent une énergie excédentaire : E*.

Cette énergie sera émise vers le milieu extérieur par deux mécanismes en compétition :l’émission gamma et la conversion interne :

- par conversion interne, l’énergie nucléaire excédentaire E* est transféréeà un électron de l'atome. L’électron est émis avec une très grande énergie cinétique. L’atome estalors ionisé, puis apparaissent des phénomènes de réarrangement, donc une production derayonnements X de fluorescence ou d’électrons Auger.


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- par émission gamma , c’est à dire par production d’un photon ou d’unecascade de photons successifs. Dans le premier cas, l’énergie du rayonnement électromagnétiqueE γ est égale à E*.

En pratique, il est nécessaire desimplifier le schéma de désintégration commele montre l’exemple suivant desrayonnements émis par l’iode 131 (émetteurbêta et gamma).

Les énergies β−sont les énergies

moyennes.

On admet pour simplifier que l’iode 131radioactif se transforme en Xénon 131 stableen émettant un électron d’énergie moyenne de190 keV et un photon gamma de 360 keV.

(cf. schéma simplifié)

β−

1 69,4 keV 2,1 %β−

2 96,6 keV 7,2 %β−

3 191,6 keV 89,9 %β−

4 812,0 keV 0,7 %

γ1 80,2 keV 2,6 %

γ2 164,0 keV 0,6 %

γ3 284,3 keV 6,2 %

γ4 364,5 keV 81,6 %

γ5 637,0 keV 7,1 %

γ6 722,9 keV 1,8 %

β1β2β3β4

3γ

4γ

5γ

6γ

2γ1γ

I13153 (radioactif)

Xe13154

(stable)

I13153 (radioactif)

Xe13154 (stable)

β -

γ

schéma simplifié

La plupart du temps, la durée de l'état excité est très brève, d'environ 10-12 seconde. Sicette durée est nettement plus longue, par exemple de l'ordre de la seconde ou de la minute, onparle alors d'état métastable.

Un exemple très important en médecine nucléaire est celui du Technétium 99m, (m pourmétastable) :

4299Mo → 43

99m Tc + β− + ν e 99 Mo : période de 67 h

4399m Tc → 43

99 Tc + γ 99m Tc : période de 6 h


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Ensuite, le technétium se désintègre par émission ß- , avec une période de 2.105 ans,pour aboutir au Ruthénium, élément stable.

Les services de médecine nucléaire sont fournis en générateurs de technétium, qui sonten réalité des sources de molybdène, non soluble dans l’eau. Après désintégration du molybdène,on peut récupérer le technétium 99m, soluble dans l’eau, sous forme d’une solution employéepour marquer des molécules.

II - 4 ) Traceurs et marqueurs

La détection externe du rayonnement gamma a permis le développement de l'imagerieisotopique, tant en recherche qu'en pratique médicale.

Le traceur est un atome, une molécule, ou une structure plus complexe comme unélément figuré du sang, spécifique de l'organe, et même spécifique d’une fonction métabolique del'organe.

Le marqueur, en médecine nucléaire, est un isotope émetteur de rayonnementsélectromagnétiques, permettant la détection externe de la répartition spatiale du traceur. Onadmet que le traceur marqué possède le même comportement que le traceur non marqué, appelétraceur froid. La différence de masse entre les isotopes, les phénomènes de radiolyse sont, enpremière approximation, considérés comme négligeables.

Outre le technétium 99m, les principaux isotopes utilisés comme marqueur in - vivo sontle gallium 67, l'indium 111, l'iode 123, l'iode 131, le xénon 133, le thallium 201 et le krypton81m..

La période radioactive, appelée période physique du marqueur doit être adaptée aumétabolisme exploré par le traceur.

Dans la formule fondamentale de la décroissance radioactive : N = N0 e− λ t , la

constante radioactive λ représente la probabilité qu'a un noyau de disparaître par unité de temps.

Par exemple, pour l’iode 131, λ =Ln 2

8,02 . 24 . 60≈ 6 . 10 − 5 . mn − 1

c’est à dire qu’un noyau a environ six chances sur dix - mille de disparaître chaque minute.Le traceur peut aussi disparaître par le métabolisme propre de l’organe. La probabilité

est appelée constante biologique, notion à laquelle est reliée la période biologique.

Pour reprendre l’exemple précédent, unsujet normothyroïdien qui a une périodebiologique normale de 12 jours, éliminera lamoitié de son iode stable ou radioactif en 12jours. La probabilité d’élimination d’unatome, par désintégration ou par phénomènebiologique est de 10 sur dix - mille par mn.

λ eff. = λphys. + λbiol. d' où l' on déduit :

1Teff.

=1Tphys .

+1Tbiol.

ou encore :

Teff. =Tphys. . Tbiol .Tphys. + Tbiol.


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La période effective correspond à la disparition effective de la radioactivité par l’un desdeux phénomènes, physique ou biologique.

Il faut donc adapter les périodes physique et biologique, par exemple, le métabolismehormonal thyroïdien dont la période biologique est de l’ordre de la semaine, nécessitera l’emploide l’iode 131 (période physique de huit jours), alors que l’étude de la captation des iodures depériode biologique de l’ordre de l’heure pourra être explorée par l’iode 123 dont la périodephysique est de 13,3 heures.

II - 5 ) Détection du rayonnement

Les appareils de détection du rayonnement utilisés en médecine nucléaire ont pourprincipe de base le détecteur à scintillation, composé schématiquement d'un scintillateur, (I Na,iodure de sodium dopé au thallium), couplé par un guide optique à un photomultiplicateur.

H T

150 V 300 V 450 V 600 V 750 V

0 V 1000 V

Signal

anodecathode

I Na

dynodes

γ → n.hν → n' . e− → → → n' ' . e−

Le rayon gamma interagit avec le cristal d'iodure de sodium activé au thallium et crée unensemble de photons de fluorescence (n.hν). Lesquels, par effet photoélectrique, produisent desélectrons ( n'.e-), ensuite multipliés par une série de dynodes (n''.e-). Ceci conduit à uneimpulsion électrique (le signal), proportionnelle à l'énergie déposée dans le cristal par lerayonnement gamma capté.

Le détecteur à scintillation autorise le comptage, c'est à dire la mesure de laradioactivité présente dans un organe, mais aussi la mesure de l'énergie déposée par lerayonnement dans le cristal. La notion de spectrométrie gamma est essentielle pour le réglage des


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détecteurs de radioactivité et permet de plus l'identification des radioéléments par lareconnaissance du pic d’absorption totale.

II - 6 ) Application de la spectrométrie gamma

Les photons émis, pour fixer les idées par des noyaux de technétium 99m d'énergie 140keV, subiront dans la matière (ici le cristal d'iodure de sodium) essentiellement deux typesd'interactions : par effet Compton et par effet photoélectrique.

Remarque : il ne peut y avoir création de paires électron - positon, puisque l'énergiephotonique est habituellement inférieure à 1,02 MeV en imagerie médicale.

Le comptage du nombre dedésintégrations en fonction del'énergie déposée dans le cristald'INa conduit expérimentalementà la répartition suivante.

Les spectres théoriques del’effet Compton et de l’effetphotoélectrique sont superposésen gras.

- 10% +10%

140 keV E

dNdE

effetcompton absorbtion

totale

200 300 E(keV)

dN dE

100

Ga 300 keVGa 184 keV

Ga 93 keV

Tc 140 keV


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A tout appareil de médecine nucléaire est couplé un spectromètre gamma, dont l'intérêtréside :

- à diminuer le bruit de fond, donc à augmenter le rapport signal sur bruit,

- à identifier les isotopes par leurs énergies caractéristiques,

- à favoriser les études utilisant plusieurs isotopes simultanément,

- à diminuer l’influence indésirable de l’effet Compton, responsable d’un floude diffusion, comme en radiologie conventionnelle (cf. p.45).

Un réglage correct de la fenêtre spectrométrique sépare les photons issus du Technétium(140 keV ± 10 % ), des photons issus du Gallium ( 93 keV ± 10% ).

III FORMATION DES IMAGES

L'image de médecine nucléaire appelée scintigraphie est obtenue par détection externe.La scintigraphie représente la répartition spatiale d'un radioélément après administration d'untraceur marqué à un organisme vivant.

Le compteur à scintillation rend possible le comptage de la radioactivité présente dansun organe, pour une énergie photonique prédéterminée par spectrométrie gamma. Différentsmoyens techniques permettent d'évoluer de la notion de simple comptage à celle d'image.

Le scintigraphe conventionnel, initiateur de l'imagerie nucléaire, est encore employédans quelques cas particuliers. L’appareil de base est actuellement la gamma-caméra, présentéesous plusieurs formes technologiques : simple ou double tête, tournante, à lit mobile, à têtemobile, dédiée à un examen particulier, etc...).

III - 1 ) Le scintigraphe conventionnel

Il s'agit d'un détecteur à scintillationprécédé d'un collimateur, c'est à dire d'unepièce de plomb, éliminant les rayonnementsparasites, dont une partie importante durayonnement diffusé par effet Compton.

La sonde se déplace devant l'organeexploré en un mouvement de balayage.

Cette technologie est parfois encoreutilisée pour l’exploration d’organes defaibles dimensions (thyroïde), cependant elletend à disparaître.


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faibles dimensions (thyroïde), cependant elletend à disparaître.

Un couplage électromécanique,complété par un système d'intégration desimpulsions forme l'image point par point.

signal

photomultiplicateurs

cathodeguide de lumière

cristal d' INa

collimateursténopéique

organe étudié couplageélectromécanique

enregistreur

III - 2 ) La gamma-caméra

La caméra à scintillation, ou gamma-caméra est un détecteur fixe qui visualise toute lazone étudiée par l'intermédiaire d'un mono - cristal d'iodure de sodium (40 cm de diamètre pourles caméras dites grand champ). Les détecteurs actuels sont dérivés de la caméra décrite parANGER dans les années 50.

Les premières applications cliniques datent du milieu des années 60.

La détection d'un photon gamma produit un ensemble de photons de fluorescence quistimule plusieurs photomultiplicateurs. L'électronique associée détermine le centre de gravité del'émission, donc la position géométrique de l'impact.


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Le spectromètre associé permet de ne détecter que les photons dont l'énergie estprédéterminée.

Les informations de position X, Y et d'énergie Z sont adressées à différents récepteurs,en particulier à un oscilloscope à persistance permettant la surveillance du déroulement del'examen.

organe marqué détecteur = gamma - caméra récepteur

}XYZ

blindage

photomultiplicateurs

guide de lumière

cristal scintillant

collimateur

schéma de principe d’une gamma - caméra de type Anger

- le collimateur est un disque de plomb percés de trous limitant le rayonnement diffusé.- le cristal scintillant absorbe le rayon gamma, créant une source secondaire de quelques

dizaines de microns de diamètre.- le guide de lumière transfère les photons pour éclairer une surface d’environ dix

centimètre de diamètre.- plusieurs photomultiplicateurs sont ainsi stimulés par un seul photon, l’électronique

associée détermine le barycentre de l’émission, repérant géométriquement le point d’impact duphoton initial.

IV COMPARAISONS MÉTHODOLOGIQUES


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En radiologie conventionnelle, le récepteur (film radiologique) capte une image latenteobtenue par la traversée d'un faisceau homogène de rayons X à travers un organe hétérogène. Latechnique est morphologique, étudiant de façon prioritaire l'aspect anatomique des organes.

En médecine nucléaire, un traceur d'une fonction biologique témoigne du métabolismede l'organe étudié. Le marquage du traceur conduit par détection externe à une cartographie de laradioactivité présente dans la structure étudiée. Il s'agit d'une technique fonctionnelle étudiant defaçon prioritaire l'aspect métabolique des organes et de façon moins précise leur forme.

radiologie : image par transmission

médecine nucléaire : image par émission

Φ0 Φ tfilm

radiologiquedétecteur = récepteur

r éc epteur : f ilm osc il los cope polar oïd or dina te ur

γ détecteur :sonde à scintillation

V IMAGES NUMÉRIQUES EN MÉDECINE NUCLÉAIRE

Les images de médecine nucléaire, formées point par point, conduisent naturellement àla notion d'image numérisée. Grâce au collimateur, le cristal ne reçoit que des photons directs, lesphotons diffusés étant absorbés par le plomb.

On arrive directement à une matrice 128 x 128 ou 512 x 512. En raison du nombreimportant de photons absorbés, seule une faible fraction des photons émis participe à la formationde l’image, le rendement de détection est de l’ordre de 10-4.

V - 1 ) Conversion analogique - numérique

La fraction des photons émis par l’organe exploré, ayant traversé le collimateur participeà la formation de l’image analogique (infinité d'informations). Un convertisseur analogique-numérique réduit l’image à une matrice de valeurs numériques (nombre fini d'informations).Cette matrice (2n x 2n) de pixels est exploitable par informatique.


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i

jA / N

L'image numérique réduite à une série de 2n x 2n valeurs numériques est stockée dansla mémoire d'un ordinateur. Pour fixer les idées, une matrice 64 x 64 correspond à 4096 valeurs.Ces valeurs correspondent aux nombres de photons gamma détectés dans chaque pixel et sontnotées a ij. Ces nombres sont souvent exprimés en coups par minute (cpm), peut - être en raisonde la réminiscence des « chocs » mesurés par les premiers compteurs Geiger - Muller, la minuteétant l’unité de temps adaptée en pratique.

V - 2 ) Acquisition des images numériques

En mode pré - temps, le comptage des photons détectés dans chaque pixel s'arrête aprèsun délai défini au préalable. Par exemple la durée d'acquisition sera de deux secondes, de cinqminutes, ... en fonction de la dynamique du métabolisme à étudier.

En mode pré - coups, c'est la somme de tous les évènements détectés par les éléments dela matrice qui est définie à l’avance.

pixel 1↔ n 1pixel 2 ↔ n 2pixel 3↔ n 3...........................pixel 4095↔ n 4095pixel 4096↔ n 4096

Si par exemple l'image requise est de 500 000 coupspour une matrice de 64 x 64 , le logiciel somme les 4096valeurs du nombre de coups n i , comptés dans le pixel i.

L’acquisition de l’image cesse lorsque la somme descoups enregistrée sur l’ensemble des pixels de la matriceest égale à 500 000.

nii= 1

4096

∑ = 500000 .

V - 3 ) Aspect pratique des images numériques

V - 3 - 1 ) Stockage

Une image numérique acquise dans des conditions paramétriques précises (pré - temps,pré - coups) est un ensemble de nombres, ordonné en tableau matriciel, qui sera facilementtransférable de la mémoire de l'ordinateur vers un support magnétique (bande magnétique, disquesouple ou disquette, disque dur, disque optique...).


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V - 3 - 2 ) Restitution

La matrice de nombres peut être représentée sous une forme plus aisément perceptible,donc interprétable, par codage de gris ou par codage de couleurs (cf. p. 58 - 59).

De l’ensemble des nombres a ij , un algorithme extrait les valeurs maximale etminimale, et affecte les valeurs maximale (2n ) et minimale (1) respectivement au blanc et aunoir.

max (a i, j ) → 100% → 2n → blanc

min ( a i, j ) → 0% → 20 = 1 → noir

Les autres valeurs comprises entre le minimum et le maximum sont représentées par unniveau de gris d'autant plus foncé que la valeur est proche du minimum. L'échelle de gris de 64,128, 256 ... niveaux restitue les données numériques sous forme d'une image, proche de celleobtenue par les techniques radiologiques de par son aspect, qui représente une cartographie de laradioactivité présente dans l'organe.

Le codage couleur est identique dans le principe mais les niveaux de gris sont remplacéspar des couleurs "chaudes" pour les régions de l'image très radioactives (hyperfixation), "froides"pour les régions de faible activité (hypofixation).

max (a i, j ) = blanc→ rouge→ jaune→ vert→ bleu→ violet→ noir = min (a i , j )

Les images « couleurs », plus spectaculaires que les images « noir et blanc », sont aussiplus délicates à interpréter du fait du renforcement de « contraste ». Le contraste perçu peut êtreabusif créant alors des artefacts responsables de faux diagnostics, par fausses hyper ouhypofixations.

Le danger de l’interprétation à posteriori des images numériques a déjà été évoqué (cf.p.58). L’introduction du codage couleur amplifie les risques de manière importante.

V - 3 - 3 ) Etudes quantifiéesIl est possible, par des méthodes interactives (crayon optique) de dessiner sur l'écran

d'un moniteur des régions d'intérêt, habituellement appelées ROI (Region Of Interest).Le logiciel estime les nombres de coups

mesurés sur les articulations sacro-iliaquesdroite et gauche (ASID et ASIG) et le rachislombaire (RL).Le calcul des rapports de fixation ASIG/RL etASID/RL est aisé et apporte une aide pour lediagnostic et pour le suivi évolutif des lésionsinflammatoires articulaires (sacro - iliite).

C’est un exemple de quantification.

scintigraphie osseuse de la région sacro-iliaque et dessin des trois ROI

RL

ASIDASIG


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V - 3 - 4 ) Etudes dynamiques

Chaque image numérique est un ensemble de valeurs aij correspondant aux nombres decoups comptés dans un ensemble de pixels repéré par (i, j), représenté sous forme matricielle par{( i, j, aij )}.

Du fait de la décroissance radioactive du marqueur et de la décroissance biologique parl’élimination due au métabolisme, l’image n’est pas constante au cours du temps et devient unefonction, parfois complexe, du temps.

Il est possible de suivre cette évolution temporelle en programmant l'acquisition desimages par enregistrement d’une série séquentielle de n images, paramétrées par un intervalle detemps déterminé en raison de la dynamique du métabolisme étudié.

Pour fixer les idées, on peut réclamer à l’ordinateur 120 images de 1 s (durée : 2 mn)pour une étude vasculaire rénale, suivies de 40 images de 30 secondes (durée 20 mn), pourl’étude de la captation glomérulaire, et cela sur le même organe : le rein repéré par une uniquerégion d’intérêt. La durée totale de l’acquisition est de 22 minutes.

Le traitement informatique ultérieur, définition des ROI et comptage de l'activité surl'ensemble des pixels validés pour les n images enregistrées, permet de suivre au cours dutemps, l'évolution de l'activité de la structure correspondant aux pixels choisis.

On accède ainsi à une étude dynamique du fonctionnement de l'organe étudié, c'est àdire à une étude incorporant l’évolution au cours du temps.

L'ensemble des données s’exprime alors sous la forme matricielle insérant le paramètretemporel t k qui indice la suite d’images : {( i, j , aij ), t k}.

- i et j sont les coordonnées géométriques du pixel,- aij est la mesure en coups par minute, microcuries ,becquerels, (ou toutes

autres unités dérivées) d’activité.- t k repère la kième image de l’acquisition.

Il sera ensuite aisé de tracer les courbes d'évolution de l'activité au cours du temps enreprésentant sur un graphique les valeurs numériques mesurées (aij) de chaque ROI, en fonctiondu temps. Bien entendu, une mise à l’échelle est effectuée.


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120 ______

cpm

t en mn

5 10 15 200

rein droit

vessie

rein gche

choix d'une région d'intérêtrectangulaire sur le rein droit et courbed'évolution de l'activité pendant 20 mn

(courbe normale).

V - 3 - 5 ) Amélioration de l’image

Il existe de nombreux algorithmes permettant d'améliorer l'image, ou l’aspect descourbes, c'est-à-dire de reconstituer de façon optimale l'information initiale.

Un exemple simple consiste en la soustraction du bruit de fond, dû aux rayonnementsdiffusés, aux rayonnements telluriques ou cosmiques. Ces informations parasites ne contribuentpas à l’information recherchée et sont à éliminer.

le ROI, ici appelé BdF, permetd'extraire une valeur moyennée surl’ensemble des pixels, égale à m0.

m0 témoigne de l'activité du bruitde fond, information n'appartenant pas àl'activité réelle de l'organe.

la correction s'effectue par lasoustraction de m0 à chaque pixel del'organe telle que :

(aij)corrigé = (aij)initial - m0

organe

BdF

De nombreuses techniques numériques (algorithmes) ont été mises au point, enparticulier pour les opérations de lissage et de filtrage des données. Les filtres de Werner et deKalmann sont d’utilisation courante.

En réalité, il ne s’agit que de programmes informatiques chargés de modifier les donnéesde base (données ou images brutes), pour créer une image mieux adaptée au diagnostic, appelée« image traitée ».


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121 ______

Il est aussi de pratique courante d'utiliser les données de base des images numériquespour aboutir à des résultats de calcul de flux, de débit, de clairance, etc.

L’aspect physiologique de l’imagerie nucléaire est parfaitement illustrée par les conceptsd’étude dynamique et de traitement des données brutes.

V - 3 - 6 ) Reconstruction tomographique

La rotation de la gamma - caméra autour du patient permet d’acquérir une séried'images, soit une série de projections (cf. p.69). Des méthodes comparables à celles décritespour la scanographie réalisent une reconstruction tomographique.

Les algorithmes sont basés sur la rétro - projection filtrée par transformée deFOURRIER, très comparables, sinon identiques, à ceux de la tomodensitométrie.

Cette technique appelée tomographie d'émission, par opposition à la tomographied'absorption de la scanographie, est actuellement la technique de base utilisée en cardiologienucléaire (tomoscintigraphie cardiaque).

On peut obtenir des coupes frontales, sagittales ou transverses du myocarde aprèsinjection d’un traceur du tissu musculaire, et ainsi évaluer localement la perfusion myocardique.

V - 3 - 7 ) Soustraction informatique

L'utilisation simultanée de plusieurs isotopes permet, en employant la soustractioninformatique d'images numériques, pixel par pixel, de visualiser des organes impossibles oudifficiles à différencier en raison de leur superposition anatomique.

L’étude des glandes parathyroïdes par la scintigraphie couplée après injection intra -veineuse de thallium (2 mCi) et de technétium (1 mCi) est un exemple démonstratif.

(1) (2)

(1) : fixation du 99m Tcpar le tissu thyroïdien.

(2) : fixation du 201 Tlpar les tissus thyroïdienet parathyroïdien.

(3) : résultat après miseà l’échelle des activitése t s o u s t r a c t i o ninformatique (adénomeparathyroïdien)

(3)


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122 ______

Ces exemples de traitement numérique des images ne doivent pas faire oublier qu’ils’agit d’une manipulation de nombres. Ces derniers sont issus d’instruments de mesuresphysiques qui sont eux - mêmes médiats de la réalité.

Il faut constamment avoir à l’esprit la signification des représentations imagées. Dans lecas présent, le reflet d’un métabolisme est représenté par une concentration radioactive, elle -même traduite par un codage arbitraire choisi par le spécialiste en imagerie.

Une image techniquement mal traitée ou mal interprétée est source d’erreur médicale.

VI ASPECT PHYSIOLOGIQUE DE L'IMAGERIE ISOTOPIQUE

Quelques exemples d’examens couramment effectués dans les services de consultationde médecine nucléaire sont présentés pour illustrer l’imagerie scintigraphique.

Les traceurs évoluent rapidement, cependant n'importe quel examen peut servir demodèle pour la compréhension de la méthode scintigraphique, dont on rapelle le caractèrefonctionnel.

VI - 1 ) Transit d'une substance

Une molécule non métabolisée visualise le passage d'une substance dans une structure.

VI - 1 - 1) Angiographie isotopique

Les hématies sont facilement marquées au technétium, par injection intraveineused’hématies autologues, on explore le transit vasculaire:

veine –> cœur droit –> poumon –> cœur gauche –> artères –> organe.

On peut de la sorte étudier le fonctionnement cardiaque (méthode du premier passage),la vascularisation rénale, la vascularisation osseuse, etc.

VI - 1 - 2) Transit oesophagien, vidange gastrique

Des aliments servent de traceur et sont marqués par le technétium 99m (phaseglucidique) ou par l'indium 111 (phase lipidique) : c’est le repas isotopique.

On peut de cette façon étudier les troubles de la vidange gastrique ou ceux de la jonctiongastro - œsophagienne (reflux œsophagien).

VI - 1 - 3) Cisternographie isotopique

Le transit et la résorption du LCR sont visualisés par un traceur du liquide céphalo-rachidien injecté par ponction lombaire ou sous - occipitale. Il s'agit en général du DTPA marquéà l'indium 111.


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Les applications usuelles sont le diagnostic des hydrocéphalies à pression constante, oula recherche de brèches méningées post - traumatiques.

VI - 2 ) Elimination d'un traceur

Le traceur marqué permet d'obtenir des images dynamiques (cf. p. 116), et d'étudierl'élimination de substances par l’organisme.

VI - 2 - 1) Scintigraphie des glandes salivaires

Le 99m Tc injecté par voie intraveineuse est capté par les cellules de l'épithélium bordantdes canaux salivaires intralobulaires, puis entraîné par le flux salivaire et éliminé par les canauxde Sténon et de Warton.

Cet examen est indiqué en cas de « syndrome sec », bouche sèche, œil sec, ou syndromede Gougerot - Sjögren, rencontré dans la polyarthrite rhumatoïde par exemple.

parotide

sous - maxillaire

activité bucale

roi

roi

Seules les glandesparo t ides e t sous -maxillaires sont accessiblesà l'examen scintigraphique,les glandes sublinguales etsalivaires accessoires étantde trop petite taille pourêtre visualisées.

La dynamique desdeux roi dessinés estschématisée ci - contre.

t en mn60

activitésous - maxillaire

activitébucale

VI - 2 - 2) Scintigraphie rénale

Le DTPA - 99m Tc (diéthyltriaminepentacétique) est un traceur à éliminationglomérulaire lorsqu'il est injecté par voie intraveineuse.

plasma reinK

1

2

3

10 mn

Le néphrogrammeisotopique ci - contre est lar e p r é s e n t a t i o n d el'évolution de l'activité enregard d'un des reins étudié.

segment 1 : vasculaire

segment 2 : captation


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segment 3 : élimination.

La constante K est la constante d'épuration qui lie les activités plasmatique (mesurée enregard du coeur), et rénale.

La relation d Ad t

= K . P où A et P sont respectivement les activités rénale et

plasmatique, permet le calcul des clairances rénales séparées.

VI - 2 - 3) Epuration muco - ciliaire

La muqueuse bronchique est directement en contact avec le milieu extérieur. Un desprincipaux mécanismes de défense pulmonaire est l'élimination du mucus bronchique par lesbattements des cellules ciliées de l'épithélium.

poumonpériphérique

grossesbronches

Des particules marquées, en l'occurrence des hématiestechnétiées, sont déposées sur les parois des grossesbronches après nébulisation par effet Venturi.

Le suivi séquentiel des images permet de quantifier laquantité de radioactivité éliminée, et donc de mesurer in -vivo l'efficacité de l'épuration muco - ciliaire, qui dépend duflux ventilatoire, de la qualité du mucus, ainsi que del'efficacité des battements ciliaires.

L’examen dure environ 90 mn.

Traitement des courbes à partir desdonnées brutes :

- soustraction du bruit de fond- correction de la décroissance

physique- soustraction des activités

bronchique et pulmonaire- normalisation en fonction

des surfaces bronchiques et pulmonaires.

Les courbes montrent le résultatd’un examen chez un sujet normal.

Ces trois types d'examen scintigraphique conduisent naturellement à la notion declairance : salivaire, rénale ou muco - ciliaire, qui mesure la quantité de substance épurée parunité de temps.


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VI - 3 ) Captation d'une molécule marquée

Les atomes ou molécules traceurs n'entrent pas dans le métabolisme, mais sontreconnues par des capteurs cellulaires (protéines membranaires), ce qui permet une étudemorphologique et, de façon plus limitée, une étude fonctionnelle de l'organe exploré.

VI - 3 - 1) Scintigraphie thyroïdienne

Le technétium 99m est fixé sur la paroi des cellules thyroïdiennes et peut être incorporédans le milieu intracellulaire par mécanisme actif ou passif. Par manque de peroxydasespécifique, ce qui le différencie de l’iode, le technétium n’est pas oxydé et ne peut participer à lasynthèse hormonale cellulaire.

La faible irradiation, la disponibilité et le coût modéré font que ce traceur est le plusutilisé pour l’étude morphologique thyroïdienne.

VI - 3 - 2) Scintigraphie hépatique

Les colloïdes marqués au technétium sont captés par les cellules de Kupfer duparenchyme hépatique qui appartiennent au système réticulo - endothélial et permettent une étudemorphologique du foie.

Cet examen est en compétition avec l’échographie pour la détection des métastaseshépatiques des cancers, surtout digestifs.

VI - 3 - 3) Scintigraphie osseuse

Les molécules possédant un ou plusieurs atomes de phosphate sont captés par le tissuosseux. De nombreuses lésions osseuses, tumorales, inflammatoires ou infectieuses se traduisentpar une augmentation de métabolisme ostéoblastique et donc par un foyer d'hyperfixation.

Toute augmentation du métabolisme osseux se traduit par une hyperfixation, de ce fait, ils’agit d’un examen extrêmement sensible, mais peu spécifique. Seuls des signes comme lenombre de foyers d’hyperfixation, leurs localisations et l’évolution au cours du temps permettentd’affiner le diagnostic.

La scintigraphie osseuse est actuellement irremplaçable pour la recherche des métastasesosseuses ou des ostéites. De nombreuses autres applications sont classiques, comme le diagnosticpositif des algodystrophies, des ostéochondrites, des souffrances articulaires mécaniques ouinflammatoires, etc.

VI - 4 ) Piégeage de particules marquées

Les traceurs sont piégés par une structure anatomique précise du fait de leurscaractéristiques physico-chimiques.


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VI - 4 - 1) Scintigraphie splénique

Les hématies « fragilisées » sont reconnues par la rate et détruites par celle-ci (la rate estle cimetière des hématies). Des hématies du sujet sont prélevées, lésées par méthode chimique outhermique, puis marquées par le technétium et réinjectées au patient.

Quelques minutes plus tard, on peut obtenir une image de la rate qui est un organedifficilement exploré par d'autres techniques.

L’examen est fiable pour les lésions traumatiques (fréquentes), ou dans des cas plusrares d’infarctus splénique ou de localisation de rate surnuméraire.

VI - 4 - 2) Scintigraphie de ventilation pulmonaire

Le xénon est un gaz de la famille des gaz rares qui est très peu réactif chimiquement(saturation de la couche électronique externe). Par inhalation en circuit fermé, les imagesexplorent le versant ventilatoire du système pulmonaire. On utilise le 133Xe pour remplir etvisualiser les alvéoles sur les images réalisées à l’équilibre ventilatoire.

Dans le cas d’une embolie pulmonaire provoquée par l'obstruction d'une artèrepulmonaire, l’image est normale en scintigraphie de ventilation mais anormale en scintigraphiede perfusion (existence d'une lacune).

VI - 4 - 3) Scintigraphie de perfusion pulmonaire

Les macroagrégats d'albumine humaine marqués au technétium ont souvent un diamètrede 10 à 15 µm. Injectés par voie intraveineuse, ils passent par le système veineux périphérique, lesystème cave et le coeur droit, puis pénètrent dans la petite circulation où ils sont bloqués dans leréseau capillaire. Les champs vasculaires pulmonaires sont visualisés.

Une technique comparable utilise des microsphères, dont le diamètre est un peu plusimportant, mais aussi moins dispersé, de l’ordre de 30 µ.

On peut ainsi évaluer la perfusion pulmonaire, fondamentale en cas de suspiciond'embolie pulmonaire.

Les études quantifiées de la ventilation et de la perfusion pulmonaire guidentl’indication chirurgicale des lobectomie ou pneumonectomie en cas de cancerbronchopulmonaire.

VI - 5 ) Métabolisme d'un atome

L'atome est à la fois traceur et marqueur, il participe directement au métabolisme del'organe étudié.

VI - 5 - 1) Exploration thyroïdienne


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Les isotopes représentatifs de la fonction thyroïdienne sont les iodes 131 ou 123,puisque les iodes radioactifs ou stable entrent dans le métabolisme thyroïdien de manièreidentique.

Le métabolisme de l'iode peut être suivi pas à pas, de l'ingestion à la production et à ladégradation hormonale.

48 h 72 h 96 h6 h 24 h

hyperthyroïdie

euthyroïdie50 %

hypothyroïdie

sangcirculant

thyroïde

iode hormonal

L'étude morphologique de la thyroïde est possible 3 h après l'administration pour l'iode123 et 24 h après l'administration pour l'iode 131.

VI - 5 - 2) Scintigraphie myocardique

Le thallium 201, analogue du potassium, est un traceur de la viabilité cellulaire. Il estutile en scintigraphie thyroïdienne, mais surtout en scintigraphie du myocarde pour le diagnosticdifférentiel entre les lésions ischémiques et les nécroses myocardiques. En premièreapproximation, le thallium s’accumule dans les cellules de façon proportionnelle au débitcoronaire.

- en cas d’infarctus, les cellules myocardiques ne sont plus fonctionnelles et nepeuvent capter le radiotraceur

- en cas d’ischémie, l’insuffisance coronaire est démontrée lors d’une épreuved’effort qui augmente les besoins en oxygène du muscle cardiaque, donc le flux sanguin et letransfert du potassium.

VI - 6 ) Traceur spécifique d'une fonction organique

Un même organe, au sens anatomique du terme, peut présenter plusieurs fonctionsmétaboliques sans aucun lien entre elles. C'est le cas des glandes surrénales qui sont composéesde deux tissus d'origine différente.

La corticosurrénale synthétise le cortisol, les androgènes et l'aldostérone alors que lamédullosurrénale synthétise les catécholamines.


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- la corticosurrénale est explorée par un précurseur des hormones stéroïdes, lecholestérol marqué à l’131I (iodocholestérol). L'image est réalisée une semaine aprèsadministration de 1 mCi d'iodocholestérol - 131I.

- la médullosurrénale est quant à elle explorée par un précurseur descatécholamines, la méta - iodo - benzyl - guanidine, MIBG marquée à l’ 131I . L’image est réalisée24 à 48 h après administration du traceur. Des applications thérapeutiques de cette molécule sonten développement.

Cet exemple montre la possibilité d'une véritable dissection fonctionnelle d'un organe.

VI - 7 ) Traceur spécifique d'une pathologie

Cette fois ci le traceur n'est pas dirigé vers une fonction organique ou métaboliqueparticulière, mais vers une fonction de défense de l'organisme, réactionnelle à une agressionexterne ou interne.

Ces traceurs sont spécifiques d'une particularité cellulaire ou immunologique.

Ce domaine de la médecine nucléaire est en pleine évolution. Parmi les traceurs utilisés,on peut citer :

- le Gallium 67 qui sous forme de citrate, marque les lésions tumorales, infectieuses ouinflammatoires (indication en cas de fièvre inexpliquée, de suspicion d’ostéite, etc.).

- les anticorps monoclonaux, en voie d'émergence en médecine nucléaire, qui sont ouseront dirigés vers une lésion spécifique, par exemple un cancer précis. Actuellement seulel’étude des cancers colorectaux ou de l'utérus a fourni quelques résultats encourageants

- du ciblage des macrophages par des molécules extraites de membranes bactériennes,marquant les macrophages activés et témoignant alors d'une réponse immunitaire cellulaire à uneagression tumorale ou inflammatoire.

Plus récemment est apparu un traceur quasiment spécifique d’une origineembryologique, c’est l’analogue de la somatostatine (octréotide), qui marque de nombreusescellules issues de la crête neurale. Ce traceur est utile pour détecter les phéochromocytomes, lesneuroblastomes ou les tumeurs carcinoïdes.

L’évolution des biotechnologies dont seront issus les futurs traceurs conditionnentl’évolution de la médecine nucléaire.

Il existera autant de nouveaux examens que de radiopharmaceutiques découverts traçantune fonction organique.

la medecine nucleaire -...

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