De la physique nucléaire à l’imagerie médicalehbfubo.free.fr/UHP/Cours M1/MEB/cours MASTER 2007/MEDECINE... · • Suivi du devenir du traceur marqué dans les organes par détection

11/02/2005 1

De la physique nucléaire De la physique nucléaire à l’imagerie médicaleà l’imagerie médicale

Enjeux et PerspectivesEnjeux et Perspectives

CEA/DSV/DRM/SHFJ Sébastien Jan

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PlanPlan

Les objectifs biologiques & La problématique des physiciens

La Plate forme du CEA/SHFJ

L’imagerie L’imagerie multimodalitémultimodalitéImagerie morphologique et imagerie fonctionnelle

La Tomographie à Émission de Positons (TEP)


La quantification en TEP

De l’imagerie du petit animal à l’imagerie de l’hommeDe l’imagerie du petit animal à l’imagerie de l’homme

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PlanPlan


L’imagerie L’imagerie multimodalitémultimodalitéImagerie morphologique et imagerie fonctionnelle

La Tomographie à Émission de Positons (TEP) La quantification en TEP


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Ultra sonsUltra sons : : ÉchographieÉchographieChamp ÉlectriqueChamp Électrique ::

ÉlectroencéphalogrammeÉlectroencéphalogramme

Champ MagnétiqueChamp Magnétique : : MagnétoMagnéto--encéphalogrammeencéphalogramme

Densité de protonsDensité de protons ::Imagerie par Imagerie par RésonnanceRésonnance Magnétique IRMMagnétique IRM

Rayons XRayons X : : Tomodensitométrie par Rayons XTomodensitométrie par Rayons X

Traceurs radioactifsTraceurs radioactifs : : Tomographie à Émission MonoTomographie à Émission Mono--Photonique (TEMP)Photonique (TEMP)Tomographie à Émission de Positons (TEP)Tomographie à Émission de Positons (TEP)

Technique d’observation et d’imagerie Technique d’observation et d’imagerie In VivoIn Vivo

Fonctionnelle Morphologique

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Technique d’observation et d’imagerie Technique d’observation et d’imagerie In VivoIn Vivo

1,5 à 5 mm

BiochimiqueBiochimique DensitéDensité de de protonsprotons

DensitéDensité des des tissustissus

TEP

Fonctionnelle

IRM Scanner X

Morphologique

50 µm à 1 mm

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ImagerieImagerie fonctionnellefonctionnelle et et imagerieimagerie morphologiquemorphologique

Tomodensitométriepar Rayons X

Information Information MorphologiqueMorphologique

Imagerie par Tomographieà Emission de Positons

Information Information FonctionnelleFonctionnelle

Fusion Scanner X + TEP

MultimodalitéMultimodalité

Maximisation de la Maximisation de la détectabilitédétectabilité tumoraletumorale

Application Application ImagerieImagerie corps corps entierentier

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1 information morphologique : IRM

ImagerieImagerie fonctionnellefonctionnelle et et imagerieimagerie morphologiquemorphologique

Application Application ImagerieImagerie cérébralecérébrale

synthèsesynthèse de la dopaminede la dopamine métabolismemétabolisme dudu glucoseglucose

2 informations fonctionnelles : TEP

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ImagerieImagerie NucléaireNucléaire

• Injection d’un traceur d’un phénomène biochimique• Traceur marqué avec isotope radioactif• Suivi du devenir du traceur marqué dans les organes par détection du marqueur radioactif à l’extérieur du patient : imagerie d’émission

Imagerie fonctionnelle : information biochimiqueImagerie fonctionnelle : information biochimique

*

Scintigraphie ou Tomographiemonophotonique

Emetteur γ

TEMPTEMP

* Emetteur β+

*

Tomographie par émission de positonsTEPTEP

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Production duradio-isotope

Synthèse du radiotraceur

Injection du radiotraceur

Acquisition des images

La Tomographie à Émission de Positons (TEP)La Tomographie à Émission de Positons (TEP)

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PMT

Matrice de cristaux (BGO , LSO ...)

♦ Désintégration β+ du traceur

♦ Thermalisation du β+ dans les tissus

♦ Annihilation : e+e - → γ γ

γ 511 keV

Reconstruction de la position d ’interaction du γ

Collection de lumière sur 4 PM

Calcul barycentriquede type «Anger »


Processus PhysiquesProcessus Physiques

♦ Détection des γ en coïncidence Collimation électronique

γ511 keV

γ 511 keV

Couronne de détection

Bloc détecteur

Détection et acquisition du signalDétection et acquisition du signal

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∆θ

♦ Acolinéarité γ γ - Mouvement orbital des e-

δBiais de reconstruction

PMTPMTObjet

♦ Coïncidences diffusées

Biais de reconstruction

♦ Coïncidences fortuites

Limites intrinsèques en TEP - Contraintes sur la

résolution spatiale

Limites intrinsèques en TEP - Contraintes sur la

résolution spatiale

♦ Vol du β+ dans les tissusEmission Annihilation


reconstruction de l’imagereconstruction de l’image

Distribution spatiale du traceurQuantification de l’activité

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Tomographie et reconstruction dTomographie et reconstruction d ’images’images

♦Algorithme de reconstruction

♦Volume 3D

MicroTomographie RX - ESRF - ID19 (fémur de souris)

♦N projections suivant N directions

N

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Couronne

Tube de réponse

Détecteurs en coïncidence

Intégration de l ’activité le long de chaque tube de réponse

∫∑ ∝LORTOR

dxdydz)z,y,x(févénements

z)y,f(x,

dt)costsin.s,sin.tcos.f(s ),s(P-

φ+φφ−φ=φ ∫+∞

∞

Transformée de Radon de f(x,y)

Sty

Xφ

S),s(P φProjection pour une valeur de φ

Sinogramme

φ

S


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)y,x(f

)0,s(p °

)90,s(p °Projection

φφφ+φ= ∫π

d),sin.ycos.x(p)y,x(f0 F

♦ Reconstruction de la distribution

∫π

φφ=0

d),s(p)y,x(f̂♦ Estimation de l ’image

)y,x(f̂Rétroprojection

Présence d ’artéfacts

sd)ss(h.),s(p),s(pf ′′−φ′=φ ∫♦ Nécessité de filtrer les projections

h(s) : TF-1 de |ν|.W(ν)


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Image de départ

Rétroprojection

Sinogramme

Simulation de

200 projections

1 rétroprojection2 rétroprojections4 rétroprojections25 rétroprojections200 rétroprojectionsAvec filtrage des projections


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La quantification et TEPLa quantification et TEP

Exploitation du lien entre les données mesurées et la distribution radioactive

Relier le nombre de coups par Relier le nombre de coups par voxelvoxel à des Bq/à des Bq/cccc

1. Normaliser 2. Corriger du temps mort3. Corriger de l’atténuation4. Corriger des diffusées5. Corriger de la décroissance radioactive6. Application du facteur de calibration

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La normalisationLa normalisation

Pourquoi normaliser les données d’acquisition ?

1. Variabilité de réponse entre les cristaux de détection

2. Zones mortes de détection

Comment normaliser les données d’acquisition ?

1. Faire une acquisition ‘à vide’ : image des ‘imperfections’ du détecteur – Organisation en projections

2. Corriger les données d’acquisition sous forme de projections par les projections de normalisation

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Normalisation : Inhomogénéités de détectionNormalisation : Inhomogénéités de détection

AvantAvant correction de la normalisationcorrection de la normalisation

Après correction de la normalisationAprès correction de la normalisation

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Correction de l’atténuationCorrection de l’atténuation

• Mesure des couples de photons d’annihilation en coïncidence sans et avec le patient :

N = N0 exp (-Σi µi.xi)

• Organisation des données en projections

source β+ : 68Ge

Collimationélectronique

Image des coefficients d’atténuation

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DéfinitionDéfinition d’uned’une “carte “carte d’atténuationd’atténuation” ”

CT

Segmentation os / tissus

TEP

Lissage à la résolutionspatiale du TEP

Image RX : information sur les µ

Carte CT Carte TEP

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Résumé : Reconstruction des données mesuréesRésumé : Reconstruction des données mesurées

Projection en émission

Normalisation

Reconstruction

Carte d’atténuationCorrection de l’atténuation

Analyse de l’imageQuantification de l’activité

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Extraction des Extraction des informationsinformations régionalesrégionales

Obtention des images Cinétique du traceurdans les régions

Traitement des images- Régions d’intérêt- Segmentation- Recalage multimodalité

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ExempleExemple d’analysed’analyse en en imagerieimagerie nucléairenucléaire par TEPpar TEP

Avec démence

Sans démence

Sujet sain Sujets atteints

18F-

FDG

F-D

OPA

Maladie de Parkinson

♦ Diagnostic : Fixation diminuée du F-DOPA

♦ Diagnostic des démences associéesExamen FDG

Démence : Hypofixation postérieure

♦ Imagerie de perfusion cérébrale15O (H2O ; CO2) - Etude fonctionnelle♦ Imagerie métaboliqueFDG - Cancérologie♦ Imagerie des récepteursF-DOPA - Neurodégénérescence

♦ Domaines d ’investigation• Etudes fonctionnelles • Etudes d ’organes vitaux• Neurologie• Cancérologie• Imagerie du petit animal

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PlanPlan

Des outils de simulation Monte Carlo Des outils de simulation Monte Carlo

L’imagerie multimodale L’imagerie multimodale



Les objectifs biologiques & La problématique des physiciens

La Plate forme du CEA/SHFJ

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Les objectifs biologiquesLes objectifs biologiques

Plate forme de cancérologie expérimentale

Imagerie de la thérapie génique

Développement de traceurs pour le diagnostic précoceDéveloppement de traceurs pour le diagnostic précoce

Maladies Maladies neurodégénérativesneurodégénératives

Pharmacologie

Développement de moléculesDéveloppement de molécules

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La problématique des physiciensLa problématique des physiciens

•• Primate : 5 kg (x 12)Primate : 5 kg (x 12)•• Rat : 0,3 kg (x 200)Rat : 0,3 kg (x 200)•• Souris : 0,03 kg (x 2000)Souris : 0,03 kg (x 2000)


Les problèmes posés Les problèmes posés

Tomographe HommeTomographe HommeVoxel : 100 µl

Tomographe AnimalTomographe AnimalVoxel : 2,5 µl

• Temps mort détecteur• Atténuation et diffusion des

photons dans les tissus• Volume partiel

Nouvelle stratégie d’analyse Nouvelle stratégie d’analyse et de quantificationet de quantification

La sensibilité de détectionLa sensibilité de détection

•• Homme : 70 kgHomme : 70 kg

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ImagerieImagerie dudu petit animal : petit animal : multimodalitémultimodalité

Imagerie morphologique et anatomique Imagerie morphologique et anatomique

IRM IRM -- Ultra Son Ultra Son -- RXRX

Souris CTSouris CT--RXRXImagerie Fonctionnelle Imagerie Fonctionnelle

‘Semi’ Quantitative : TEMP ; Optique‘Semi’ Quantitative : TEMP ; Optique

Souris BioluminescenceSouris Bioluminescence Souris FluorescenceSouris Fluorescence

Quantitative : TEPQuantitative : TEP

Souris TEPSouris TEP

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Fusion des modalités Fusion des modalités

Image AnatomiqueImage Anatomique :: Information de localisation

Image FonctionnelleImage Fonctionnelle :: Information de type biologique (métabolisme, perfusion…)

Souris CTSouris CT--RX / TEPRX / TEP

ImagerieImagerie dudu petit animal : petit animal : multimodalitémultimodalité

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Imagerie OptiqueImagerie Optique

Imagerie par bioluminescence Imagerie par bioluminescence : Intérêt de la : Intérêt de la multimodalitémultimodalité TEP/OptiqueTEP/Optique

Imagerie OptiqueImagerie Optique : Identification de la cible

Imagerie TEPImagerie TEP : Marquage de la sonde –du médicament

Observation de l’adressage médicament sur cibleObservation de l’adressage médicament sur cible

Perspective vers l’imagerie Perspective vers l’imagerie de fluorescencede fluorescence

- Excitation Laser de nanoparticules- Encapsulation de nanoparticules

dans des protéines- Large spectre de cibles biologiques

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Une partie de l’imagerie au SHFJUne partie de l’imagerie au SHFJ

Plate forme d’imagerie du petit animalPlate forme d’imagerie du petit animal

Tomographie à Émission de PositonsTomographie à Émission de Positons

Imagerie planaire Imagerie planaire monophotoniquemonophotonique

Imagerie Optique par bioluminescenceImagerie Optique par bioluminescence

FonctionnelleFonctionnelle

Anatomique Anatomique -- MorphologiqueMorphologique

IRM 3T ‘Homme’IRM 3T ‘Homme’

La TEP au SHFJLa TEP au SHFJ

3 familles de Caméra3 familles de Caméra

microPETmicroPET FOCUS pour le petit animalFOCUS pour le petit animal

HRRT pour le cerveau humainHRRT pour le cerveau humain

HR+ pour le corps entier chez l’hommeHR+ pour le corps entier chez l’homme

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La Caméra TEP FOCUS au SHFJLa Caméra TEP FOCUS au SHFJ

Géométrie de la caméraGéométrie de la caméra

Première caméra TEP ‘petit animal’ en service en France : Janvier 2004

•• 4 anneaux4 anneaux de détection•• 168 blocs de détection168 blocs de détection (42 par anneaux)•• 7,6 cm7,6 cm de FOV axial • 26 cm26 cm de Ø• 3D3D

26 cm

7,6 cm

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Description de la caméra FOCUSDescription de la caméra FOCUS

X1 X2Y2

Y1

26 cm

Le détecteurLe détecteur

X = X1/(X1+X2)Y = Y1/(Y1+Y2)

Pour chaque événementPour chaque événement

• PMTPMT multianodes à localisation• 12 x 12 cristaux12 x 12 cristaux par bloc (Total : 24192 cristaux) •• Un cristal :Un cristal : 1,5 x 1,5 x 10 mm - LSO• Espace interEspace inter--cristauxcristaux : 0,08 mm

• Taux de comptage maxTaux de comptage max : 3,5 M evts / sec.•• CompactageCompactage = zone active / (zone active + morte) = 92 %• Sensibilité absolue Sensibilité absolue : 3,4 %

Bloc de détectionBloc de détection

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La Caméra HRRT au SHFJLa Caméra HRRT au SHFJ

Caméra prototype pour l’imagerie haute résolution du cerveau chez l’homme

Crystal dimensions : 2.1 x 2.1 x 10 mm3

Material : LSO / LYSO

Number of slices : 207

Slice thickness : 1.22 mm

Structure : 8 heads

9 x 13 blocks per head

8 x 8 x 2 crystals per bloc

Head-to-head distance: 46.9 cm

FOV : 31.2 x 31.2 x 25.2 cm3

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La Caméra HR+ au SHFJLa Caméra HR+ au SHFJ

Caméra pour l’imagerie corps entier chez l’homme

32 rings : 63 Reconstructed Slices 18432 BGO crystals Ring diameter : 82,7 cm Axial Field Of View : 15,2 cm

288 Blocks : 8*8 crystal units / Block Light Collection : 4 PMT / BlockPosition calculation : Anger Logic

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Comparatif en résolution spatialeComparatif en résolution spatiale

Expérience Expérience DerenzoDerenzo

• 3 types de caméra du SHFJ3 types de caméra du SHFJ

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Examens PrimatesExamens Primates : Modèles : Modèles NeurodégénératifsNeurodégénératifs

•• Imagerie de récepteursImagerie de récepteurs

•• Recherche de nouveau marqueurs pour Recherche de nouveau marqueurs pour les maladies de Parkinson et Alzheimerles maladies de Parkinson et Alzheimer

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Imagerie de la Imagerie de la neuroneuro--transmissiontransmission

HRRT % HR+ chez le primate (babouin)HRRT % HR+ chez le primate (babouin)

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Examens RatsExamens Rats : Cancérologie & Neuroscience: Cancérologie & Neuroscience

[F[F1818]]FNaFNa 400 400 mCimCi -- rat 400 g rat 400 g

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Injection FDGInjection FDG : 2 h d’: 2 h d’acquiacqui. & 37 . & 37 MBqMBq (1 (1 mCimCi) & Dynamique 8 x 15’) & Dynamique 8 x 15’

•• Localisation anatomique Localisation anatomique IRM 3TIRM 3T

• Tumeur foieTumeur foie

•• Détectabilité tumorale précoce Détectabilité tumorale précoce

•• Répliques métastases poumon Répliques métastases poumon & cerveau& cerveau

•• Suivi thérapeutique (quantification) Suivi thérapeutique (quantification)

microPETmicroPET FOCUS chez le rat (abdomen)FOCUS chez le rat (abdomen)

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Métabolisme cérébral du glucoseMétabolisme cérébral du glucose

microPETmicroPET FOCUS chez le rat (cerveau)FOCUS chez le rat (cerveau)

335 g, 160 MBq2 heures acquisition

•• Informations sur les processus d’échanges énergétiquesInformations sur les processus d’échanges énergétiques•• Cancérologie ; Transport de Neurones ; Activité Neuronale…Cancérologie ; Transport de Neurones ; Activité Neuronale…

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335 g120 MBq30 minutes acquisition 30 minutes après injection

Mesure de la densité des récepteurs dopaminergique D2Mesure de la densité des récepteurs dopaminergique D2

microPETmicroPET FOCUS chez le rat (cerveau)FOCUS chez le rat (cerveau)

•• Modèle de maladies Modèle de maladies neurodégénérativesneurodégénératives (Parkinson, (Parkinson, AlzeimerAlzeimer, , HuntingtonHuntington…)…)•• Mesure de flux de neurones ‘entrant’ sur les Mesure de flux de neurones ‘entrant’ sur les striatastriata et de la synthèse et de la synthèse

dopaminergique…dopaminergique…

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Quantification sur la Quantification sur la sourissouris : Métodologie & Validation: Métodologie & Validation

• Quantification TEP sur 5 organes : cœur, foie, vessie, reins, muscle• Segmentation des images : extraction des ROI pour chaque organe

Principe de l’analysePrincipe de l’analyse

• Sacrifice de l’animal• Extraction des organes pour comptage

Examens SourisExamens Souris : Cancérologie & Pharmacologie: Cancérologie & Pharmacologie

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HR+ FOCUSHRRT

Métabolisme du glucose : modèle de tumeurs digestivesMétabolisme du glucose : modèle de tumeurs digestives

HR+ % HRRT % FOCUS chez la sourisHR+ % HRRT % FOCUS chez la souris

temps

ROI1 ROI2ROI1ROI2

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20 g, 100 mCi, FOCUS, 15-30 min

25 g, 80 mCi, HRRT, 19-29 min

Métabolisme du glucose : résolution du coeurMétabolisme du glucose : résolution du coeur

HRRT % FOCUS chez la sourisHRRT % FOCUS chez la souris

• Volume du cœur ~ 100 µl• Ventricule gauche• Myocarde + cavité

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Des outils de simulation Monte Carlo Des outils de simulation Monte Carlo

L’imagerie multimodale L’imagerie multimodale


PlanPlan


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PerspectivesPerspectives

Intérêts scientifiques de la pluridisciplinaritéIntérêts scientifiques de la pluridisciplinarité

Développements Instrumentaux pour la Développements Instrumentaux pour la multimodalitémultimodalitéOutils de simulations et d’analyseOutils de simulations et d’analyse

Biologie

Physique

Informatique

Mathématique

CancérologieCancérologieNeurologieNeurologiePharmacologiePharmacologie

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État de l’art en TEP petit animalÉtat de l’art en TEP petit animal ::

•• Résolution : 1.3 mm au centreRésolution : 1.3 mm au centre•• Sensibilité : 3.5 % au centreSensibilité : 3.5 % au centre

Utilisation de méthode de reconstruction itératives Utilisation de méthode de reconstruction itératives -- DéconvolutionDéconvolution du vol positon du vol positon -- DéconvolutionDéconvolution de la résolution détecteurde la résolution détecteur

Résolution : 0.9 mm au centreRésolution : 0.9 mm au centre

Les besoinsLes besoins ::

Augmentation IMPORTANTE de la Sensibilité !Augmentation IMPORTANTE de la Sensibilité !> 20 %> 20 %

Résolution homogène dans le champ de vueRésolution homogène dans le champ de vue

PerspectivesPerspectives

Documents

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