Appareillage du PET-scanner :

a) Description de l’appareil:

Le PET-CT est composé d’un statif en anneaux double, généralement semblable à celui d’un appareil de scanner classique, et d’une table d’examen coulissante (figure 1). Le statif se compose de deux anneaux : un anneau correspondant au module PET, muni d’une batterie de détecteurs des rayons gamma, sensibles à l’énergie des photons gamma de 511KeV, et l’autre anneau correspondant au module scanner, muni d’une source de rayons X solidaire à une batterie de détecteurs réservés à la détection des rayons X. [1-2]

b) Fonctionnement du PET-CT:

La réalisation de l’imagerie scintigraphique PET est basée sur la détection des rayonnements électromagnétiques émis par le radio traceur injecté au patient. Ce produit radio pharmaceutique, marqué par des isotopes émetteurs de positons, sera absorbé par les cellules de l’organisme à différents degrés, toutes n’ayant pas la même affinité au dit produit. Les positons émis lors de la désintégration des radio-isotopes marqueurs subissent le processus d’annihilation lors de la rencontre avec des électrons dans le milieu [2]. Ce processus donne naissance à deux photons gamma émis dans des sens antiparallèles et d’énergie égale à 511 KeV chacun (figure 2). La détection simultanée de ces deux photons avec un TOF de 6 à 12 nanosecondes par deux détecteurs placés en vis-à-vis au niveau du module PET de l’appareil, dite détection en coïncidence, permet de localiser le lieu de survenue de l’annihilation (figure 3) et donc de la désintégration à l’origine[3]. Ainsi, l’obtention d’une image PET repose sur la mesure des projections de l’objet en utilisant le principe de la détection en coïncidence et sur la reconstruction tomoscintigraphique qui permet l’obtention de la distribution du traceur au niveau de l’organisme [1-2-3].

Les détecteurs PET sont des cristaux scintillants formant une couronne autour du patient. Ils sont choisis en fonction de leur efficacité de détection des photons gamma de 511 KeV. Le Germanate de Bismuth (BGO), l’Orthosilicate de Lutétium (LSO) et l’Orthosilicate de Gadolinium (GSO) sont les détecteurs les plus utilisés à l’heure actuelle.[2]

D’un autre côté, les caméras PET actuelles sont équipées de systèmes informatiques capables de définir la répartition du traceur radioactif au niveau d’une partie ou de la totalité du corps, en double ou triple dimensions et reconstruisent les images avec différentes modes de présentation.

Il reste à préciser que la ligne virtuelle dessinée par le trajet des deux photons d’annihilation est appelée ligne de réponse = LOR. En traversant les tissus selon ces lignes, les photons gamma sont susceptibles de subir des atténuations, sources d’altération de la qualité des images. Dans ce contexte, le scanner X combiné au PET intervient pour corriger l’atténuation de ces photons. Il permet aussi le repérage anatomique précis des anomalies de fixation et l’étude de la densité des tissus anormalement fixant et par là un élément supplémentaire dans l’orientation diagnostique, améliorant la spécificité de l’examen [2-4].

Figure 3: Annihilation du positon, issu d’une molécule de FDG, avec un électron et émission de deux photons gamma et leur détection en coïncidence par deux détecteurs en vis-à-vis sur

2) Radiopharmaceutiques :

a) Radiopharmaceutiques disponibles :

Les radioéléments utilisés en imagerie PET-CT sont des isotopes à demi-vie physique très courte (tableau I). Toute une variété de radionucléides émetteurs de positons existent, capables de se fixer sur des molécules d’intérêt biologique, constituant une offre pour les médecins nucléaristes, leur permettant la réalisation de divers types d’examens PET-CT. Les radioéléments émetteurs de positions sont incorporés dans des substances vectrices d’intérêt biologique assimilables par l’organisme, comme l’eau, le glucose et de l’ammoniac. L’ensemble vecteur - radioélément est appelé radio traceur[7].

Radioélément Demi- vie physique

Oxygène 15 (¹⁵O) Azote 13 (¹³N) Carbone 11 (¹¹c) Gallium 68 (⁶⁸Ga) Fluor 18 (¹⁸F) Iode 124 (¹²⁴I) Rubidium 82 (⁸²Rb) 2 min 10 min 20 min 68 min 1h09 min 4,1 jours 1,27 min

Tableau I : Principaux isotopes émetteurs de positons utilisés en médecine et leurs demi-vies physiques[5].

Parmi les radioéléments cités dans le tableau I, le Gallium 68, le Carbone 11 et l’Oxygène 15 sont des éléments utilisés par de nombreux centres dans le marquage de l’Octréotide (analogue de la somatostatine), de l’acétate et de l’eau. L’Azote 13 est utilisé dans le marquage de l’ammoniac dans l’étude de son métabolisme, le Rubidium 82 en imagerie cardiaque et l’Iode 124 dans l’imagerie thyroïdienne positonique[5].

Un de ces radioéléments, le fluor 18 (F18), demeure de loin le nucléide le plus utilisé par le monde médical dans ce domaine ; il présente des caractéristiques physiques favorables [8-9] :

 Demi-vie physique de 110 min, relativement longue pour la réalisation d’examens dans des centres à distance d’un cyclotron ;

 Relative facilité de production et de manipulation ;

 Possibilité de radio-marquage des molécules différentes, notamment : - Le Fluorodesoxyglucose (FDG), largement utilisé dans l’étude du

métabolisme glucidique en cancérologie.

- La F-Choline (FCH), utilisée dans la prise en charge de cancers prostatiques, et dans l’imagerie parathyroïdienne.

- Le Fluorure de sodium (FNa = fluorine), utilisée en imagerie ostéo-articulaire.

- La Fluorodopamine (18F-DOPA), utilisée dans l’imagerie des tumeurs neuroendocrines et dans certaines pathologies cérébrales. - La Fluorothymidine (18F-FLT), utilisée en imagerie de la

prolifération cellulaire.

- Le Misonidazole (18F-MISO), récemment utilisé en imagerie de l’hypoxie cellulaire.

Le 18F constitue le marqueur de la molécule de glucose formant le complexe 18F- FDG[8-9]. Dans le monde, le Fluor 18 et le Technétium 99m radioactifs, constituent actuellement les deux isotopes principaux de la médecine nucléaire. Au Maroc, l’apparition de cette molécule dans le marché date d’une dizaine d’années. Son utilisation connaît une augmentation très rapide avec un élargissement des indications touchant à différentes pathologies néoplasiques ou non néoplasiques.

b) Le 18F- FDG :

b-1) Propriétés physiques[8-9]:

Le 18F-FDG est un radio traceur qui se forme grâce à la fixation d’un atome radioactif : le Fluor 18, et d’une molécule de D-Glucose, formant le « 2-[18F] fluoro-2-désoxy-D-glucose » dit simplement FDG[9-8].

L’étude de ce radiopharmaceutique nous amène d’abord à l’étude de l’atome de Fluor 18 quant à ses propriétés physiques avant de passer à l’étude des propriétés biologiques du FDG.

Le fluor 18 est un radionucléide émetteur de positon produit dans des accélérateurs de particules circulaires : les cyclotrons [5]. Ces accélérateurs utilisent la force magnétique exercée sur des particules chargées en mouvement, introduites au centre d'une enceinte où règne un vide poussé. Les particules décrivent une trajectoire en spirale depuis le centre cyclotron jusqu'à ses bords, en même temps leur vitesse s'accroît. Elles parcourent plusieurs tours avant d'être extraites de l'accélérateur puis projetées à très grande vitesse sur une cible (figure 4). Lorsqu’il s’agit d’une cible d’oxygène 18 par exemple, il s’en suit une transmutation de ce dernier en Fluor 18 avec émission d’un neutron selon la

La réaction conduit donc à la production d’un atome de Fluor 18 (¹⁸9F) radioactif dont le noyau se trouve composé de 9 protons et de 9 neutrons. Ses caractéristiques physiques sont très favorables en radiochimie[10-11], avec la possibilité de son introduction dans plusieurs molécules sans bouleverser leurs pharmacocinétiques. Il donne, également, la possibilité d’automatisation des réactions de fluoration et de radio synthèse[11].

Figure 4: Unité de production du F18 dans un cyclotron médical:

a : vue d’ensemble de l’enceinte de production, b : schéma simplifié montrant la trajectoire de la particule chargée et sa sortie de l’enceinte.[10]

Ajouter à cela, sa demi-vie physique assez longue de l’ordre de 110 minutes ce qui permet la synthèse et la réalisation de l’imagerie dans des délais raisonnables, et donne la possibilité de la distribution à des utilisateurs dans des centres à distance du site de fabrication voir même situés dans des pays voisins. D’un autre côté, le faible parcours moyens des particules β+ émises par la désintégration du Fluor 18 de l’ordre de 2.5 mm rend sur le plan théorique une imagerie de haute résolution, possible. Ce parcours de particules est, en effet, le plus faible parmi ceux des mêmes particules émises par d’autres isotopes utilisés dans le marquage de radiopharmaceutiques, comme le carbone 11, l’azote 13 ou l’oxygène 15 (Figure 5)[9].

Après son émission et un trajet très court, le positon rencontre un électron du milieu et subissent tous les deux la réaction d’annihilation[5] conduisant à la disparition des deux particules électroniques et l’émission de deux photons gamma à 180° l’un par rapport à l’autre, dans des sens opposés et d’énergie égale à 511 KeV pour chacun (figure 5).

Finalement, la désintégration du radio fluor 18 se résume à l’émission de deux photons d’énergies égales, émis sur la même direction, permettant leur repérage par des détecteurs appropriés placés sur leur trajectoire. Le parcours des photons gamma avant leur interception par les détecteurs, permet de repérer leur point de départ et d’approcher le foyer contenant la molécule fluorée.

b-2) Bases biologiques de l’utilisation du FDG en médecine 1) Forme chimique du FDG:

L’histoire de la synthèse du 18F-FDG est un exemple de la révolution technique, dans le domaine de la chimie TEP[12]. Ce radiopharmaceutique est synthétisé via des automates (Figure 6) qui ont connu aussi une évolution rapide, constamment évolués à techniques optimisées, depuis les premières synthèses réalisée par Tatsuo Ido et Alfred Wolf en 1977 et par Ehrenkaufer et al. en 1984[13-14].

Le nom chimique du principe actif FDG est le 2-fluoro-2-désoxy-D-glucose, avec comme formule moléculaire C6H11¹⁸FO5 et une masse moléculaire de 181,1 daltons. Il s’agit d’un radiopharmaceutique réservé à l'usage hospitalier dont l’AMM a été obtenu au Maroc en 2007 (2002 en France). La structure chimique du FDG s’écrit [9] :

Figure 6 : Prototype du premier automate de synthèse nucléophile du 18F (collection personnelle du Professeur A. LUXEN)[15]