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)
Le photomultiplicateurLe photomultiplicateur
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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
Le photomultiplicateurLe photomultiplicateur
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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
La spectromLa spectromtrietrie
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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
La spectromLa spectromtrietrie
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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
La collimationLa collimation
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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
La collimationLa collimation
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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
La collimationLa collimation
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stnop ou pin-holeagrandissement et inversion de limage
La collimationLa collimationLorientation des canaux dtermine le type de collimateur :
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La collimationLa collimation
canaux paralllesstnop
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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
CaractCaractristiques dristiques dun dun dtecteurtecteur
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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)
CaractCaractristiques dristiques dun dun dtecteurtecteur
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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
Modes dModes dacquisitionacquisition
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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
Modes dModes dacquisitionacquisition
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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
TEP : principeTEP : principe
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
TEP : principeTEP : principe
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Types de concidences dtectesA
B
C
A : concidence vraie
B : concidence fortuite(alatoire)
C : concidence diffuse
Ligne de rponse
TEP : principeTEP : principe
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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