5.1 Introduction
Actuellement, les différentes techniques d’imagerie médicale sont le plus souvent utilisées sé-parément en routine clinique et apportent des informations variées et complémentaires, tant sur la structure anatomique que sur le fonctionnement des organes de leurs patients, mais celles-ci sont souvent difficiles à corréler entre elles puisque obtenues séparément à des instants diffé-rents. Le défi à relever dans le domaine de l’imagerie médicale est de concevoir de nouveaux systèmes d’imagerie dits multi-modaux permettant d’acquérir simultanément des informations sur le fonctionnement métabolique directement corrélées avec l’anatomie des patients.
5.1.1 L’intérêt de l’imagerie multimodale
Il est clair qu’aucune des modalités d’imagerie ne peut individuellement fournir l’intégralité des informations recherchées. En réalité, les informations que chacune d’entre elles fournissent sont complémentaires et donc particulièrement intéressantes, voire indispensables à combiner. Si on prend par exemple le cas de l’imagerie TEP, les systèmes commerciaux (cliniques) ven-dus actuellement sont quasiment tous dotés d’un TDM, tant l’information anatomique (TDM) est essentielle à la lecture de l’information fonctionnelle (TEP) [83]. La raison d’être de tels imageurs hybrides est de faciliter la fusion des images obtenues respectivement avec les deux modalités, simultanément ou séquentiellement, les données morphologiques servant de support à l’information fonctionnelle. De plus, les données TDM sont utiles à l’amélioration et la quan-tification des images TEP. En effet, l’atténuation, la diffusion ou encore l’effet de volume partiel peuvent être corrigés sur les données TEP à partir des données TDM. Il en est de même pour la reconstruction en TEP, qui peut bénéficier d’informations a priori.
Pour l’imagerie pré-clinique, qui nous concerne plus directement, il est donc de plus en plus fréquent de voir des modalités anatomiques (TDM, IRM) combinées à d’autres fonctionnelles (TEP, TEMP, Optique, IRMf), ou encore des modalités fonctionnelles combinées entre elles. La Figure 5.1 présente dans ses grandes lignes les champs d’application des différentes modalités d’imagerie pré-clinique. La tendance est actuellement au développement des systèmes hybrides TEP/IRM [84] [85] [86] [87] [88] et TEMP/IRM [89] simultanés, l’IRM permettant de réaliser
74 CHAPITRE 5. L’IMAGERIE BI-MODALE TEP/TDM
des images avec un très bon contraste et une haute résolution spatiale sans avoir recours à des rayonnements ionisants. Avec l’épanouissement de l’imagerie optique (luminescence, biolumi-nescence), sont récemment apparus de nouveaux systèmes hybrides TEP/Optique [90] [91] et TEMP/Optique [92] simultanés.
Figure 5.1 – Les champs d’application des différentes modalités d’imagerie pré-clinique
5.1.2 L’imagerie TEP/TDM
Habituellement, les examens TEP et TDM sont réalisés séquentiellement (TDM puis TEP), à des moments différents, sur des systèmes indépendants généralement contigus. De plus, alors qu’une acquisition TDM ne dure que quelques dizaines de secondes et fournit des images que l’on peut qualifier d’instantanées, une acquisition TEP nécessite en moyenne une vingtaine de minutes et produit des images moyennées dans le temps. Ainsi pour accéder à la fusion sur un même support des informations anatomiques et fonctionnelles, on a au préalable recours à un recalage des volumes TEP et TDM reconstruits. Ce recalage est relativement trivial et correct lorsqu’il concerne des structures figées comme le crâne, car les déformations appliquées sont ri-gides (rotation, translation, mise à l’échelle). Toutefois, lorsque les volumes imagés contiennent des structures mobiles et déformables comme les poumons ou les organes de l’abdomen, le re-calage doit nécessairement être élastique, ce qui introduit une incertitude sur la véracité des informations fusionnées. De plus, il est dans ces conditions extrêmement difficile de prendre en compte les mouvements physiologiques tels que la respiration.
Le premier concept d’imageur hybride TEP/TDM a été proposé par Townsend en 1991 (cf. Figure 5.2), et consistait en un système rotatif embarquant sur un même support un TEP, une source de rayons X et un détecteur à gaz lui faisant face. Ce concept a néanmoins rapidement été abandonné pour des raisons d’encombrement au profit de systèmes hybrides contigus dans lesquels le patient passe d’une modalité à l’autre par translation du lit. Cette approche présente l’avantage de coupler des imageurs commerciaux standards dont les performances respectives ne sont pas limitées par leur mutualisation.
5.2. LES SYSTÈMES TEP/TDM PRÉ-CLINIQUES 75
Figure 5.2 – Le premier concept de TEP/TDM
5.2 Les systèmes TEP/TDM pré-cliniques
Les systèmes d’imagerie dédiés au petit animal sont apparus comme d’importants outils pour la recherche sur le cancer et la génomique [93] [94] [95]. Ces nouveaux systèmes d’imagerie permettent aux chercheurs de visualiser de manière non invasive les tissus des animaux géné-tiquement modifiés, ou présentant des pathologies, et de surveiller la progression des maladies tout comme les effets des actions thérapeutiques. Le développement de caméras TEP dédiées à l’imagerie pré-clinique [96] [97] [98] [99] [7] [100] et celui de la micro-TDM [101] [102] ont induit le besoin de pouvoir imager simultanément, comme en clinique, la fonction métabolique et la structure anatomique du petit animal en installant ces deux modalités d’imagerie sous un même portique [103] [104].
5.2.1 Les systèmes séquentiels commerciaux
A titre d’exemple, on peut citer deux systèmes commerciaux d’imageur hybride TEP/TDM (et même TEMP) fonctionnant en mode séquentiel (cf. Figure 5.3) :
– Le système Flex TriumphTMde Gamma Medica-Ideas, distribué par GE HealthCare. Les modalités TEP (LabPETTM), TDM et TEMP sont respectivement équipées de détecteurs phoswich LYSO/LGSO couplés individuellement à des APDs1, d’une caméra à intégration de charges de type GOS/CMOS, et de gamma caméras CZT à conversion directe.
– Le système InveonTMde Siemens. Les modalités TEP, TDM et TEMP sont respectivement équipées de détecteurs LSO couplés individuellement à des PMTs, d’une caméra de type flat panel, et de gamma caméras classiques2.
1. Photodiodes à avalanche (avalanche photodiodes). 2. Cristaux de NaI(Tl) couplés à des PMTs.
76 CHAPITRE 5. L’IMAGERIE BI-MODALE TEP/TDM
(a) Flex TriumphTM, GMI (b) InveonTM, Siemens
Figure 5.3 – Les systèmes commerciaux d’imageur hybride TEP/TEMP/TDM séquentiels
5.2.2 Les systèmes simultanés
La tendance étant depuis plus d’une dizaine d’année aux systèmes séquentiels, pour lesquels les données anatomiques et fonctionnelles sont acquises successivement, le champ de l’imagerie TEP/TDM simultanée a, en fin de compte, très peu été investigué. Bien que l’on manque encore d’un certain recul quant à cette approche, il apparaît intéressant de discuter respectivement des avantages et des inconvénients des systèmes simultanés comparés à ceux des systèmes sé-quentiels (cf. Tableau 5.1).
Quel que soit le système, séquentiel ou simultané, les mouvements physiologiques de l’animal peuvent être plus ou moins facilement pris en compte en ayant recours à des procédures de synchronisation des protocoles d’acquisition sur les cycles physiologiques (respiration, pulsa-tion cardiaque) de l’animal. Cependant, dans le cas des systèmes séquentiels non contigus, les informations anatomo-fonctionnelles ne sont pas corrélées spatialement, ce qui nécessite d’avoir recours à un recalage de type élastique, peu fiable. Dans le cas des systèmes séquentiels contigus, par contre, ces informations présentent une bonne corrélation spatiale, ce qui permet de recaler les données de manière rigide. Finalement, seuls les systèmes simultanés assurent une parfaite corrélation spatiale permettant de s’affranchir de l’étape de recalage. De plus, ils présentent l’intérêt d’acquérir les données anatomo-fonctionnelles en parfaite corrélation temporelle dans des conditions in vivo identiques. En contre partie, la mutualisation des deux systèmes implique nécessairement de déprécier certaines performances du TEP, notamment en terme de sensibilité (géométrie partielle) et de taille de champ de vue.
La réalisation d’un prototype d’imagerie TEP/TDM hybride et simultanée chez la souris implique essentiellement de dépasser trois verrous technologiques importants. D’une part, il faut disposer de modules de détection gamma qui puissent être assemblés selon une géométrie appropriée pour pouvoir y insérer un tube à rayons X et un détecteur de rayons X de part et
5.2. LES SYSTÈMES TEP/TDM PRÉ-CLINIQUES 77
Séquentiel
Simultané non contigu contigu
Corrélation spatiale non oui oui Recalage (software) oui (élastique) oui (rigide) non Corrélation temporelle non non oui
Prise en compte
oui oui oui
des mouvements physiologiques Incidence de la mutualisation
non non oui
sur le système TEP (sensibilité, FOV)
Table 5.1 – Confrontation des systèmes séquentiels et simultanés
d’autre du champ de vue. D’autre part, il faut que ces détecteurs gamma puissent fonctionner en présence d’un flux important de rayon X diffusés par le corps de l’animal. Et finalement, pour ne pas augmenter la dose absorbée par la souris, le détecteur de rayons X doit pouvoir fonctionner à très bas flux pendant toute la durée de l’acquisition TEP, sans être perturbé, ou le moins possible, par les photons d’annihilation qui le traversent. C’est un défi ambitieux que deux autres équipes tentent de relever. La première, à l’Université de Californie à Davis, a choisi une approche similaire à la notre, quoi que moins élaborée avec seulement 2 détecteurs plans montés statiquement l’un en face de l’autre [105]. La seconde, à l’Université de Sherbrooke, a choisi une approche radicalement différente, qui consiste à détecter les rayons X et gamma dans le même module de détection [106] [107].
5.2.3 Le prototype hybride ClearPET/XPAD3
L’approche qui a été développée dans l’équipe imXgam3 du CPPM est de combiner sur un unique support rotatif les modules de détection de la caméra pour petit animaux ClearPET avec un détecteur de rayons X à comptage de photons dans le but d’acquérir simultanément des images anatomiques et fonctionnelles du même champ de vue [108] [109].
La conduite de ce projet à été menée sur deux fronts. Dans un premier temps, une étude préliminaire réalisée en simulation (Chapitre 6) a permis de définir une nouvelle géométrie de détection sur le ClearPET, dans le but de remédier aux défauts de la première géométrie réalisée à Lausanne, d’assurer le bon échantillonnage de la transformée X 3D, et de permettre l’intégra-tion des différents éléments constitutifs du micro-TDM (source de rayons X et caméra à pixels hybrides). Cette étude de design finalisée, la modélisation complète du système hybride a pu être mise en œuvre afin d’évaluer le comportement de chacun des deux systèmes en régime de fonctionnement bimodal. Autrement dit, de mettre en évidence l’impact qu’ils pourraient avoir l’un sur l’autre. Cet état des lieux des difficultés liées à la détection TEP/TDM simultanée a
78 CHAPITRE 5. L’IMAGERIE BI-MODALE TEP/TDM
alors permis d’identifier le point critique de sa faisabilité, à savoir faire fonctionner les modules de détection TEP en présence d’un flux de rayons X diffusés en provenance de l’objet. Ainsi, une étude de blindage de ces modules a été menée pour déterminer la protection la mieux ap-propriée contre ce rayonnement diffusé. Finalement, l’outil de simulation s’est également avéré pertinent et essentiel pour aborder, sur le fantôme de souris voxélisé et animé « MOBY », l’étude d’un protocole d’acquisition qui autoriserait une prise de données TDM durant toute la durée de l’acquisition TEP, en limitant autant que possible la dose délivrée à l’animal. En fin de compte, un des enjeux abordés est d’exploiter la parfaite corrélation spatiale et temporelle des informations anatomique et fonctionnelle enregistrées dans ces conditions, pour synchroni-ser l’acquisition simultanée sur le cycle respiratoire de l’animal. L’idée étant de produire des images de qualité, dépourvues du flou inhérent à ce mouvement physiologique.
Du point de vue de l’instrumentation, ce projet a vu la mise en oeuvre du système hybride simultané ClearPET/XPAD3 (Chapitre7). Dans l’attente de la construction de la salle d’appli-cation qui lui est destinée, le système bimodal, au terme d’une étude CAO soignée, a été intégré temporairement dans une enceinte blindée habilitée répondant à toutes les exigences en matière de radioprotection et de sécurité. Une fois les deux imageurs TEP et TDM individuellement opérationnels, la faisabilité d’une acquisition simultanée avec une source de positons scellée a été démontrée [110].