La Tomographie par Emission de Positons

3.1. Intérêts et champs d’application.

La Tomographie d’Emission Mono-Photonique (TEMP) comme la Tomographie d’Emission de Positons (TEP), sont des techniques d’imagerie non-invasives qui permettent de suivre in vivo le devenir d’une molécule injectée et préalablement marquée avec un radio-isotope émetteur de photons ou de positons. Utilisant des radionucléides émetteurs de positons à vie courte (comme le carbone-11 de période 20,4 minutes et le fluor-18 de période 109,8 minutes), la TEP fournit des informations non seulement qualitatives mais aussi quantitatives. Elle permet d’obtenir des images tomographiques d’un organe et de cartographier des concentrations locales de la molécule radioactive injectée. Des paramètres physiologiques tels que le débit sanguin, le volume sanguin, le pH intracellulaire ou la consommation tissulaire en oxygène ou en glucose peuvent ainsi être mesurés. La TEP permet également l’observation de la cinétique de distribution et la mesure de la concentration d’une molécule marquée en tout point d’un organe sain ou malade. Enfin, l’injection de doses traceuses de molécules marquées permet l’étude fonctionnelle de récepteurs ou d’enzymes. La précision des résultats dépend à la fois des performances du tomographe, de la technique de reconstruction d’images et des phénomènes physiques relatifs à l’émission de positons et à la détection des photons d’annihilation.

3.2. Principe physique.

Le positon +

est une particule de même masse et de même spin que l’électron mais de charge opposée. Il est émis par un atome radioactif dont le nombre de protons et supérieur à celui de ces neutrons. La réaction nucléaire de désintégration revient à la transformation du proton en neutron, en neutrino et en positon (Equation 3). Le positon ainsi créé parcourt alors dans la matière un chemin qui est fonction de son énergie cinétique initiale et qui est appelé parcours moyen. Lorsqu’il a perdu toute son énergie cinétique, et que sa quantité de mouvement est quasi nulle, l’ultime choc avec un électron produit une réaction d’annihilation où les deux particules en présence (positon et électron) disparaissent pour donner naissance à deux photons d’énergie égale à 511 keV. La conservation de la quantité de mouvement implique que les deux photons soient émis à 180 ° l’un de l’autre : on parle alors de photons émis en coïncidence (Figure 1).

Le principe physique de l’imagerie TEP repose sur la détection en coïncidence des deux photons émis par un système de collimateur électronique. En effet, sur les tomographes actuels, les éléments de détections sont disposés en vis-à-vis sur une couronne et chaque paire de détecteur est couplée électroniquement. Lorsque que les tubes d’une paire produisent simultanément une impulsion électrique, on dit que l’on a enregistré une coïncidence. Le traitement de l’ensemble des signaux permettra de distinguer parmi ces coïncidences, celles qui correspondent à de vrais événements de celles qui sont générées fortuitement par deux photons provenant de deux annihilations différentes. Sur la plupart des systèmes, une fenêtre de coïncidence de 10 à 20 nanosecondes permet aux calculateurs de distinguer les photons issus d’une annihilation ou d’une autre. Si les détecteurs opposés sont déclenchés dans cette fourchette temporelle, on estime que les deux photons

fenêtre seront rejetés. Si une annihilation se produit au centre du champ d’examen, les deux photons atteindront les détecteurs exactement au même moment. Par contre, s’il existe un décalage par rapport au centre, les deux détecteurs seront déclenchés en coïncidence avec un léger retard pour l’un d’eux. La mesure de ce retard permet de déterminer la localisation de l’annihilation sur la ligne de coïncidence et donc la position de la substance marquée injectée (technique appelée « temps de vol »). L’acquisition et le traitement de ces données va permettre la reconstruction d’images tridimensionnelles.

Figure 1 : Principe physique de la TEP.

Comme expliqué précédemment, le positon parcourt une distance de quelques millimètres dans les tissus avant de s’annihiler. L’image finale obtenue donne donc la distribution statistique de ces points d’annihilation et non celle des émetteurs de positons (donc du radiotraceur). C’est la raison pour laquelle la résolution spatiale des caméras TEP ne peut pas descendre en dessous de quelques millimètres. Cette distance correspond au parcours moyen du positon avant son annihilation et varie en fonction de l’énergie initiale de la particule. Plus l’énergie est basse, plus le parcourt moyen du positon est court et donc meilleure est la résolution de l’image. Une autre limite intrinsèque en termes de résolution spatiale provient de la non-colinéarité des deux photons résultant de l’annihilation d’un positon qui n’a pas perdu totalement son énergie cinétique. Ce défaut de colinéarité peut être de l’ordre de 0,5 °. La combinaison de ses deux phénomènes limite donc la résolution spatiale, propre à la détection en coïncidence, de 2 à 4 mm en pratique.

3.3. Le cyclotron – outil indispensable pour la production des

émetteurs de positons.

Les radio-isotopes émetteurs de positons sont tous des isotopes artificiels. Pour les produire, il est nécessaire d’utiliser des réactions nucléaires et donc des accélérateurs de particules. L’accélérateur le plus souvent utilisé aujourd’hui est le cyclotron biomédical. Le cyclotron est un accélérateur électromagnétique de haute fréquence, dont les premiers modèles ont été mis au point en 1929 par Ernest Orlando Lawrence aux Etats-Unis. Dans son principe, le cyclotron utilise l’action combinée

d’un champ magnétique et d’un champ électrique pour délivrer un faisceau de particules accélérées. Ces particules électriquement chargées (proton, deutons, voire helium-3 ou helium-4), sont ensuite introduites au centre d’une enceinte où règne un vide très poussé. Elles décrivent une trajectoire en spirale depuis le centre du cyclotron jusqu’au bord tandis que leur vitesse s’accroît. Elles parcourent plusieurs tours avant d’être extraites de l’accélérateur pour être projetées sur une cible pouvant quant à elle, être située à quelques mètres de la machine à proprement dite (Figure 2).

Figure 2 : Schéma de principe d'un cyclotron.

Les particules accélérées possèdent une énergie suffisante pour pouvoir générer des radio-isotopes, par bombardement des éléments stables qui constituent la cible. La cible peut être constituée par un liquide, un gaz ou un solide. La réaction de transmutation peut s’écrire selon l’Equation 6 :

𝑋 + 𝑌 = 𝑋′+ 𝑌′

Equation 6

Avec X : élément stable constituant la cible Y : particule incidente

X’ : radioélément généré

Y’ : particule créée après réaction de transmutation nucléaire

Le carbone-11 peut ainsi être créé par bombardement de protons sur de l’azote-14 (Equation 7) : 𝑁

7

14 + 𝑝₁1 → 𝐶11₆ + 𝐻𝑒₂4

Equation 7

Par convention, on écrit cette réaction de transmutation nucléaire ¹⁴N(p,)¹¹C. Le rendement de cette réaction est fonction de différents paramètres comme l’intensité du faisceau, l’épaisseur du matériau de la cible ou l’extraction du radioélément généré.