Imagerie nucléaire

Le principe général de l’imagerie nucléaire est la localisation à l’aide d’un détecteur spécialisé d’un élément radioactif qui a été injecté dans l’organisme. La préparation du produit radiopharmaceutique se fait par le couplage d’un atome radioactif sur la molécule vectrice. Pour ce faire, des analogues de molécules naturelles ont été mis au point en fonction de leurs affinités pour les différents organes.

L’effet photo-électrique est un des phénomènes permettant la détection des photons gamma. Un pho-ton gamma percute un électron d’une orbitale interne d’un atome. L’électron est expulsé et on l’appelle alors photo-électron. Un électron d’une orbitale supérieure (donc plus énergétique) vient prendre la place de l’électron expulsé et ce saut s’accompagne de l’émission d’un photon, dit photon de fluorescence (Fig. B.13).

FIG. B.13 – L’effet photo-électrique.

Le phénomène d’annihilation met en jeu des positons issus d’une désintégration de type β+et les électrons libres de la matière. Lorsque qu’un positon rencontre un électron libre, il y a annihilation : la collision matière (e−) / antimatière (e+) entraîne la disparition des deux particules et la création de deux photons de 511 keV chacun, émis dans la même direction, mais en sens opposé comme le montre la figure (Fig. B.14).

FIG. B.14 – Le phénomène d’annihilation.

Le phénomène de diffusion est lié à l’effet Compton. Le photon γ est dévié par un électron et perd une partie de son énergie (Fig. B.15).

FIG. B.15 – L’effet de diffusion Compton.

Les photons émis par la radioactivité du traceur ont une certaine probabilité d’être absorbés (phé-nomène d’atténuation) ou d’être déviés (phé(phé-nomène de diffusion) de leur route qui dépend du tissus traversé et de l’énergie du photon. L’atténuation va provoquer une diminution du nombre de photons détectés d’autant plus importante que ceux-ci ont été émis profondément dans la matière. Le choix du traceur et donc de l’énergie des photons émis influe sur ce facteur. Il s’en suit une diminution du rapport signal sur bruit et une modification des contrastes. Les photons diffusés vont, quant a eux, engendrer du bruit et faire apparaître de l’activité là où il n’y en a pas. Ainsi, alors que la diffusion est un effet indési-rable (car on ne sait pas retrouver l’origine du photon gamma une fois dévié), l’effet photo-électrique est à la base de la détection dans les gamma-caméras actuelles, par détection du photon de fluorescence.

Les phénomènes d’atténuation et diffusion sont pris en compte et corrigés lors de la reconstruction des images.

B.3.1 Tomographie d’émission mono-photonique

Pour la tomographie d’émission mono-photonique (TEMP), le noyau radioactif émet un rayonne-ment de type γ sous forme d’un photon dont la valeur énergétique est dépendante du traceur utilisé. La détection de l’émission des photons et leur localisation permet de reconstruire une image fonction-nelle. Cette détection est assurée par des γ-caméras. Il existe différents types de détecteur de rayons gamma (à gaz, à semi-conducteur...). Actuellement, le système le plus répandu pour la détection d’un photon gamma est formé de l’association d’un cristal (généralement d’iodure de sodium avec des traces de thallium) et d’un photo-multiplicateur (PM) (Fig. B.16)

Dans le cas idéal, lorsqu’un photon gamma interagit avec le cristal, il cède son énergie au cristal par effet photo-électrique. Le photo-électron éjecté a une énergie suffisante pour provoquer à son tour l’expulsion de nombreux autres électrons dans le cristal. Un photon de fluorescence (dans le domaine bleu-ultraviolet) est émis pour chaque photo-électron expulsé. Une gerbe de photons est alors émis : c’est la scintillation. Cette gerbe de photons est détectée par le PM. Ce dernier est composé d’une ampoule de verre contenant principalement une photocathode, des dynodes et une anode. Lorsque les photons de scintillation heurtent la cathode, celle-ci émet des électrons (à nouveau par effet photo-électrique). Ceux ci sont accélérés de la photo-cathode vers une première dynode du fait de l’application d’un champ électrique de haute tension entre elles. Les électrons sont alors accélérés. Lorsque l’électron heurte la dynode à grande vitesse, son énergie cinétique est suffisante pour arracher plusieurs électrons à la dy-node. Ces électrons vont à leur tour être accélérés vers la dynode suivante, où ils arracheront chacun

FIG. B.16 – Schéma d’une sonde de détection par scintillation.

plusieurs électrons, d’où un phénomène d’amplification. L’évolution du signal électrique ainsi formé est proportionnelle à l’énergie du photon gamma incident. On détermine de cette façon l’énergie d’un photon gamma incident par l’amplitude du signal électrique qu’il génère.

Les rayons gamma ne peuvent pas être focalisés comme la lumière à l’aide de lentilles. L’utilisation d’un collimateur (Fig. B.17) permet de privilégier une direction, la plus courante étant la perpendiculaire au cristal. Un collimateur est une galette habituellement en plomb dans laquelle des trous cylindriques ou coniques sont percés suivant un système d’axes déterminé. Les photons γ dont le parcours n’emprunte pas ces directions sont absorbés par le collimateur avant d’atteindre le cristal. La cloison séparant deux trous voisins est appelée septum. L’épaisseur de plomb est calculée pour entraîner une atténuation d’au moins 95% de l’énergie des photons traversant les septa. Le collimateur le plus couramment utilisé est à trous parallèles. Il conserve les dimensions de l’image. La résolution du collimateur correspond à la précision de l’image formée dans le détecteur. La résolution s’améliore avec l’augmentation de l’épaisseur des septa au détriment de la sensibilité du collimateur. Un bon compromis est à trouver, la réalisation d’un collimateur performant dépendant des caractéristiques intrinsèques du détecteur et de l’usage que l’on veut en faire.

Pour la TEMP, Le détecteur est animé d’un mouvement de rotation autour du patient. Il réalise l’acquisition d’images scintigraphiques sous différentes incidences. Le traitement mathématique de ces données permettant de reconstruire la distribution volumique est appelé tomographie. Sous chaque angle de prise de vue, les acquisitions sont synchronisées avec le cycle cardiaque. On obtient ainsi la répartition de la radioactivité en trois dimensions, au cours du cycle cardiaque.

B.3.2 Tomographie d’émission de positons

La Tomographie d’Émission de Positons (TEP) fonctionne sur le même principe physique que la TEMP. À ceci, près que les traceurs utilisés se désintègrent suivant une réaction de type β+. dans ce type de réaction, le retour à l’état stable des molécules radioactives du traceur se fait par l’émission d’un positon (noté e+). La réaction utilisée pour la détection du traceur est une réaction d’annihilation.

FIG. B.17 – Nécessité d’utilisation d’un collimateur.

couronnes de blocs détecteur. Ces couronnes délimitent un cylindre de détection sur un champ de vue d’une quinzaine de centimètres. Les blocs détecteurs sont constitués de cristaux scintillateurs ayant la capacité d’émettre un photon secondaire lors de l’absorption d’un photon gamma de 511 keV. Ce photon secondaire est peu énergétique et est dans le domaine du visible. Ce faible signal lumineux est amplifié par photomultiplication et converti en signal électrique et peut alors être traité de manière électronique. Si un photon est également détecté sur un autre cristal dans un intervalle de temps de quelques nanosecondes (appelé fenêtre de coïncidence), la caméra considère ces deux signaux comme étant la conséquence d’une annihilation d’un positon et d’un électron. La détection de ces deux photons gamma est appelée un "événement" en coïncidence. Les deux photons gamma ont donc parcouru une droite et ont fini leur course sur les cristaux scintillateurs. Le segment de droite reliant deux cristaux en vis-à-vis est appelé ligne de réponse. La détection des coïncidences est illustrée sur la figure (Fig. B.18).

FIG. B.18 – Détection des coïncidences sur une caméra TEP.

de détection de la caméra TEP constitue l’information brute que l’on enregistre dans des fichiers appelé sinogrammes.

La connaissance des désintégrations sur chaque ligne de réponse revient à connaître les projections de l’image de radioactivité sur un grand nombre de plans. De ces projections on peut reconstruire l’image de distribution spatiale de la radioactivité qui a été mesurée.

On passe donc, à l’aide d’algorithmes de reconstruction tomographiques , des sinogrammes à des coupes jointives décrivant un volume, chaque pixel de ces images représentant la mesure locale de radio-activité sur la durée de l’acquisition.