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TEP : le principe



Détection simultanée des photons gamma d'annihilation

La tomographie par émission de positons est une technique d'imagerie qui s'appuie sur une propriété bien caractéristique des positons qui sont des antiélectrons de charge électrique positive. Les positons quand ils rencontrent un électron présent dans la matière disaparaissent d'une manière très caractéristique qui signale leur présence et les localise.

Lors de l'examen, des atomes radioactifs émetteurs de positons sont injectés au patient par l'intermédiaire d'un produit radiopharmaceutique. On identifie la présence de positons par le fait, qu'une fois leur énergie perdue (leurs parcours ne dépassent pas quelques millimètres), ils s'annihilent avec un électron pour donner deux photons gamma énergiques de 511 keV émis dos à dos. Les deux gamma atteignent simultanément une paire de détecteurs opposés entourant le patient. Des circuits électroniques reliant ces détecteurs reconnaissent ces photons d'annihilation. Grâce à cette localisation, on peut reconstituer une carte de la répartition des émetteurs de positons après leur fixation dans l'organisme.

Deux photons gamma simultanés et dos à dos
Les positons, émis par un marqueur radioactif bêta-plus, disparaissent après un parcours dans la matière de quelques millimètres lors d'une réaction au cours de laquelle le positon et un électron s'annihilent. L'énergie libérée est emportée par deux photons gamma de 511 000 électronvolts, émis simultanément dos à dos. On reconstruit la ligne de vol des paires de gamma à partir de leur impact dans deux détecteurs opposés. A partir de ces lignes de vol on dresse la carte des points d'émission. La carte de la fixation du marqueur radioactif dans le patient sera d'autant précise que le parcours des positons est court. C'est le cas du fluor-18, le marqueur le plus employé.
IN2P3

Les deux photons sont validés si leur énergie mesuréee est proche de 511 keV et s'ils sont détectés dans un intervalle de temps très court, une fenêtre temporelle d'environ dix milliardième de seconde. La collimation est « électronique », car elle ne nécessite pas les collimateurs au plomb qui définissent la direction des photons lors d'une scintigraphie avec une gamma-caméra.

Bien que la sélection en énergie et dans le temps des gamma ainsi que la définition de leur direction soient différentes, la restitution de l'image spatiale des traceurs radioactifs s'effectue de la même façon que dans le cas des scintigraphies grâce à un calcul mathématique complexe qui valut à Godfrey Hounsfield et Allan Cormack le Prix Nobel 1979 de Médecine et Physiologie. Grâce à l'informatique, à la puissance des ordinateurs, ces calculs peuvent être effectués sur place et fournir des images en temps réeel.

Circuit de coïncidence
Les deux rayons gamma, émis dos à dos lors de l'annihilation du positon, sont détectés pratiquement en même temps par les deux scintillateurs qu'ils frappent. Cette coïncidence dans le temps constitue une signature très forte qui les distingue d'autres photons. Des circuits électroniques, dits de « coïncidence » permettent de les sélectionner. Dans l'exemple de la figure, il est demandé que les signaux émis par les scintillateurs A et B touchés coïncident dans le temps à 12 milliardièmes de seconde (nanoseconde) près. La ligne rejoignant les centres des détecteurs A et B constitue une approximation de la ligne de vol réelle des deux gamma.
A.Aurengo/ Hôpital Pitié-Salpêtrière

Les caméras « dédiées » aux seuls examens utilisant des émetteurs de positons possèdent une géométrie de détection en anneaux. L'acquisition de données à des angles différents permet la reconstruction d'une série de coupes dites tomographiques, et à partir de ces coupes d'obtenir dans l'espace à trois dimensions la distribution du produit radiopharmaceutique dans le patient.

Les détecteurs doivent mesurer la position de l'impact, l'énergie et le temps d'arrivée des photons d'annihilation. Dans l'exemple de la figure ci-dessous, les détecteurs sont constitués de cristaux scintillateurs associés à des photomultiplicateurs.

Eléments d'une caméra TEP
La figure montre les éléments constitutifs d'une caméra TEP. Dans cet exemple, on trouve au niveau élémentaire 8 x 8 cristaux de scintillateurs vus par 4 photomultiplicateurs, le tout formant un bloc de détection. 72 de ces blocs sont réunis en un anneau. L'ensemble, formé de 4 anneaux, entoure le lit d'examen où se trouve le patient et peut se déplacer le long de l'axe du lit. Grâce à ces anneaux, des données sont prises simultanément à tous les angles. On obtient ainsi des images dans l'espace sans augmenter l'irradiation. La résolution spatiale, c'est à dire la précision de la reconstruction est environ de 5 mm.
A.Aurengo/ Hôpital Pitié-Salpêtrière (Image Siemens)

De nombreux types de caméras TEP sont disponibles. Le cristal scintillateur utilisé peut être l'iodure de sodium NaI(Tl), le germanate de bismuth (BGO), l'orthosilicate de lutécium (LSO) ou encore l'orthosilicate de gadolinium (GSO). Il est même possible d'adapter une gamma-caméra à double tête avec une électronique de détection de coïncidences. Cette technique est appelée Tomographie d'Emission avec Détection de Coïncidences (TEDC). Les examens réalisés à l'aide de ces caméras TEDC sont moins rapides que les examens réalisés à l'aide de caméras "dédièes" à la seule TEP et leur résolution spatiale est inférieure.

Comme pour les performances des gamma-caméras utilisées en scintigraphies, les caméras TEP bénéficient des très importants progrès des techniques de détection. Ils permettent d'obtenir des images plus précises tout en diminuant la quantité d'émetteurs de positons nécéssaires et les doses subies par les patients.