Guillaume BONNIAUD Service de Physique - Institut Gustave ROUSSY

La correction d’atténuation des images de Tomographie par Émission de Positons (TEP) utilisant les images de Tomodensitométrie (TDM)

2- Un biais de détection en TEP : l’atténuation

3- La Correction d’Atténuation (CA) en TEP à partir des images de Tomodensitométrie (TDM)

4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique

1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) : qu’est-ce que ?

?

NP = Nsource.exp[- µ(L).dL]

1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP)

Imagerie fonctionnelle : imagerie permettant l’analyse de la fonction des organes par la détection d’une molécule marquée (traceur radioactif), caractéristique de la fonction à étudier, administrée à l’organisme.

• La TEP est une modalité d’imagerie fonctionnelle

La TEP en cancérologie:

Fonction : activité tumorale et métastatique=> La cellule cancéreuse consomme plus de glucose que les autres cellules Molécule marquée : analogue du glucose marqué par un émetteur de positons, le 18F-Fluoro-déoxyglucose (18FDG) Détection : caméra dédiée à la détection des positons

Injection d’un radiotraceur émetteur de

positons

1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP)• Principe de la détection en TEP (1)

L’émission de positons (+) 1. Émission du positon

Injection d’un radiotraceur émetteur +

Fixation de +

Photon de 511keV

Photon de 511keV

2. Thermalisation (interaction positon - matière) sur quelques mm

3. Annihilation (interaction positon thermalisé – électrons des couches supérieures de la matière)

4. Émission de 2 photons de 511keV en opposition (180 0,3°)

Ce sont les photons d’annihilation qui vont être détectés

1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP)• Principe de la détection en TEP (2)

Injection d’un radiotraceur émetteur + Ligne de

coïncidence

Détection en coïncidence de lignes de réponse (LOR)

Ligne de

Réponse (LOR)

La détection des photons d’annihilation

Ligne de coïncidence

=Fenêtre

temporelle(quelques ns)

+fenêtre

spectrale(350 à 650 keV)

Émission en opposition des 2 photons d’annihilation

Chaque LOR contient le nombre de positons émis sur cette ligne

Anneau de détection

1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP)• Principe de la détection en TEP (3)

Représentation graphique de la détection en coïncidence : le sinogramme

Sinogramme : 1 point représente une LOR

Ligne de coïncidence

1 pixel = N (nombre de coïncidences)

R

r

Ligne de coïncidence

Sinogramme

Ligne de

Réponse (LOR)

Anneau de détection

1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP)• Reconstruction des images TEP

Acquisition de Lignes de Réponse (LOR) : LOR1, LOR2, LOR3, …

LOR1

LOR2

LOR3

LOR4

Les algorithmes de reconstruction d’images restituent, à partir de l’ensemble des LOR acquises, la distribution 3D des émissions de positons dans le champ de vue de la caméra TEP

Deux types d’algorithmes de reconstruction d’images : reconstructions analytiques / itératives

(chaque LOR contient le nombre de positons émis sur cette ligne)

Visualisation de la reconstruction sous forme d’images transverses, sagittales et coronales

Anneau de détection

1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP)• Limitations de la technique de détection en TEP

Fortuites

Résolution spatiale finie des détecteurs

Atténuation des photons d’annihilation dans le patient

Détection de coïncidences :

Diffusées L’émission de positon n’est pas

sur la LOR détectée = bruit

Coïncidences « vraies » (signal)~ 1% des coïncidences détectées en 3D Anneau

de détection

2- L’atténuation en TEP

Atténuation des photons d’annihilation (511 keV)

L’atténuation en TEP :- Ne dépend pas du lieu d’émission sur la LOR à l’intérieur de l’objet ;- Dépend uniquement de la densité du milieu atténuant sur la LOR.

Anneau de détection

Ligne de

Réponse (LOR)

Ligne de coïncidence

• L’atténuation en TEP (1) :

2- L’atténuation en TEP

Influence sur la détection

Nthéorique = n(L).dL avec L = LOR

Ligne de coïncidence

1 pixel = N (nombre de coïncidences)

R

r

Sinogramme

Nmesuré = n(L)affecté par l’atténuation.dL avec L = LOR

• L’atténuation en TEP (2) :

Objet homogène

Perte de signal => évènements non détectés

2- L’atténuation en TEP

Image

Nombre d’émission de postions

Profil transverse

Nombre d’émission de postions

Profil transverse

• Conséquences (1) :

Quantification erronée => erreur dans la restitution du nombre d’émissions de positons de l’objet dans l’image

Atténuation inégale suivant la profondeur => détection des lésions profondes difficile

2- L’atténuation en TEP

Comment va-t-on corriger les images TEP de l’atténuation des photons d’annihilation ?

Image TEP transverse non corrigée de l’atténuation

• Conséquences (2) :

• Comment corriger de l’atténuation ? Solution théorique exacte

=> Pondération des projections par un Facteur de Correction d’Atténuation (FCA)

3- La Correction d’Atténuation (CA) en TEP

N = n(L).FCA.dL avec FCA = Exp (µ(L).dL)(L = LOR)

Détermination du FCA

=> Utilisation du TDM (Tomodensitomètre ou scanner à RX)

Le calcul du FCA nécessite la connaissance de la cartographie 3D des coefficients d’atténuation

• Problèmes

3- La CA en TEP utilisant les images TDM

Les rayons X utilisés en TDM sont émis suivant un spectre continu de rayonnement de freinage (40-140 keV) alors que les photons d’annihilation des positons sont mono-énergétiques (511 keV).

L’énergie de ces deux rayonnements est différente

Retrouver la cartographie 3D des coefficients d’atténuation à 511keV nécessite une conversion des coefficients d’atténuation du TDM

Energie (keV)

Signal relatif

50 100

200

500

400

300

Relation non linéaire des coefficients d’atténuation entre 70 et 511 keV

• La conversion des coefficients d’atténuation

3- La CA en TEP utilisant les images TDM

Conversion de 70 à 511 keV par segmentation des images TDM

Définition d’une énergie effective du faisceau de rayons X utilisé en TDM (Eeff 70 keV)

µpoumons

µtissus mous

µos

Segmentation

µpoumons

µtissus mous

µos

Conversion µ70keV => µ511keV

70 keV 511 keV

• Synthèse

3- La CA en TEP utilisant les images TDM

Images TDM(Eeff =70keV)

Sinogrammes TDM

(Eeff =70keV)

ImagesTEP CA

Algorithme de reconstruction

reformatage

Conversion

SinogrammesTEP CA

SinogrammesTDM (E=511keV)

x

Intégration

SinogrammesTEP non CA

3- La CA en TEP utilisant les images TDM

• Résultats Qualitatif : CA induit diminution du contraste/amélioration de la détection Quantitatif : CA par TDM « robuste » Exemple :

Corrigée

Coupe transverse Coupe coronale Coupe sagittale

CA des images TEP par TDM adoptée

en clinique

Non corrigée

4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique• La TEP en pratique clinique

Injection du 18FDG (à jeun)

Repos de 45 minutes au minimum

Examen TEP (45 minutes environ)

Déroulement d’un examen :

La lecture des images TEP : recherche des hyperfixations pathologiques

La CA utilisant le TDM impose la meilleur concordance possible entre la position du patient pendant l’examen TEP et l’examen TDM => machines hybrides : TEP et TDM couplés

4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique• A quoi ressemble une caméra TEP-TDM ?

Le TEP-TDM Biograph de Siemens

4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique• Le TEP-TDM en clinique :

La fusion d’image : TEP-TDM

TDM : information anatomiqueTEP : information fonctionnelle

TEP – TDM : information anatomique ET fonctionnelle

Meilleure localisation anatomique des zones d’hyperfixation pathologiques

4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique• Le TEP-TDM en clinique :

La correction d’atténuation utilisant les images TDM

Artefacts de corrections possibles (Produit de contraste/Prothèses)

Conclusion

Avantages/Inconvénients de la CA des images TEP utilisant les images TDM :

Le but de ma thèse : évaluer l’impact de la statistique des images TDM sur la détectabilité en TEP corrigée de l’atténuation

L’acquisition des images de TDM est rapide

Les images TDM apportent une information anatomique importante

A

Le TDM est une modalité d’imagerie irradiante (dose au patient)

Les éventuels artefacts du TDM peuvent se propager dans les images TEP corrigées de l’atténuation

I

Remerciements

Bernard AUBERT

Jérémy COULOT

Frédéric LAVIELLE

Marcel RICARD