[PDF] Tomographie démission de positons

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Master Physique Médicale Lyon - Tomographie d'émission de positons - Irène Buvat - novembre 2009 - 1

Tomographie d'émission

de positons

Irène Buvat

IMNC CNRS 8165

Orsay buvat@imnc.in2p3.fr http://www.guillemet.org/irene novembre 2009

Master Physique Médicale Lyon

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Plan du cours

• Emetteurs de positons • Détection de positons - Détection en coïncidence

Collimation électronique

Détecteurs TEP avec gamma caméras

Détecteurs TEP dédiés

Spectrométrie

- Types de détecteurs TEP - TEP temps de vol, TEP 2D, TEP 3D - Caractéristiques du TEP • Quantification en TEP - Evénements détectés en TEP - Atténuation - Diffusion - Coïncidences fortuites - Normalisation • Problèmes communs au TEP et TEMP - Effet de volume partiel - Mouvement - Reconstruction tomographique - Etalonnage - Temps mort • Synthèse et conclusions

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- Emetteurs de photons gamma - Emetteurs de positons

Rappel : obtention de photons gamma

X* X + γ

A Z A Z

X* Y + β

A Z A Z-1

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• Emission d'un positon par transformation d'un proton en un neutron et un positon, avec émission d'un neutrino

X* Y + β

- spectre d'émission continu : énergie cinétique du positon comprise entre 0 et E max • Annihilation du positon avec un électron du milieu ➩émission de deux photons γ de 511 keV à ~

180°±0.2°

- lieux d'émission et d'annihilation non confondus, distant en moyenne d'une quantité dépendant de E max ➩ facteur limitant la résolution spatiale intrinsèque de la technique

Emetteurs de positons

A Z A Z-1

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Emetteurs de positons β+ les plus courants

IsotopeE

max (keV)

Période T

(minutes)

Oxygène 15 : O15

Azote 13 : N13

Carbone 11 : C11

Fluor 18 : F18

Brome 76 : Br76

Gallium 68 : Ga68

Rubidium 82 : Rb82

1723
1190
981
635
3440
1899
3350
2 10 20 110
960
68
1,3

Parcours moyen

dans l'eau (mm) 2,7 1,5 1,1 0,6 5,0 3,1 ➩ photons γ de 511 keV

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Production des émetteurs de positons

• Générateur de radioisotopes - séparation chimique du radionucléide fils et du père - techniques de chromatographie - Tc99m, Ga68 • Bombardement avec des particules chargées - accélérateur linéaire ou cyclotron - C11, N13, O15, F18, Ga67, In111, I123, Tl201 • Fission nucléaire - réacteur nucléaire - Mo99, I131, Cs137 • Capture de neutrons - réacteur nucléaire - Mo99, I131

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Production des émetteurs de positons

HO HO HO OH O F18 FDG

émetteur de positons

Bombardement de noyaux stables par des

protons ou des deutérons

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Synthèse du radiotraceur émetteur de positons β+ biosynthétiseur cyclotron • Complexe et délicate : laboratoire de radiochimie • Développement de systèmes de synthèse automatique

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Problématique de détection

γ (511 keV)

γ (511 keV)

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Détection en coïncidence : principe

• 2 événements détectés simultanément ➩ émission d'un positon β+ à proximité de la ligne reliant les deux événements ➩ pas de collimateur physique : multiplication du flux incident de photons d'un facteur

10 000

• Fenêtre de coïncidence ~ 5 à 20 nanosecondes circuit de coïncidence ligne de réponse

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Détecteurs PET : gamma caméra

• Cristal NaI(Tl) ➩ nécessité d'augmenter l'épaisseur du cristal pour accroître l'efficacité de détection • Ajustement des corrections de linéarité et d'uniformité • Nécessité de gérer de très hauts taux de comptage - diminution de la durée d'intégration du signal lumineux émis par les tubes photomultiplicateurs (200 ns au lieu de 1 µs) ➩ réduction du temps mort mais diminution de la résolution en énergie

épaisseur

du cristal (mm) 9,5 12,7 15,9 19,1 efficacité de détection (%) en coïncidence

à 511 keV

2,2 3,6 4,8 5,8

à 140 keV

100
100
100
100

à 511 keV

15 19 22
24
Les gamma caméras ne sont pas adaptés pour réaliser de l'imagerie à 511 keV

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Détecteurs PET dédiés

• Cristaux BGO au lieu de NaI(Tl) ➩ 3 fois plus efficace pour l'arrêt des photons de 511 keV • Arrangement de plusieurs cristaux en blocs couplés à des tubes photomultiplicateurs • Dimensions typiques des cristaux :

4,0 mm (t) x 8,4 mm (a) (GE Advance)

2,8 mm (t) x 5,5 mm (a) (Siemens ECAT EXACT HR)

• Position de l'événement dans le bloc déterminée par un circuit de positionnement analogue à celui d'une gamma caméra • Petits cristaux ➩ amélioration de la résolution et échantillonnage et réduction de la complexité de l'électronique de coïncidence tubes photomultiplicateur cristaux a t

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Détecteurs PET dédiés

• Architecture bloc Source : William W Moses, Image acquisition, sensors and sources, 2003

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Notion de ligne de réponse (LOR)

collimation

électronique

Ligne de réponse :

ligne joignant les 2 détecteurs ayant reçu un signal en coïncidence = ligne de coïncidence

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Notion de sinogramme en PET

sinogramme correspondant

à une coupe

d

1 pixel (x, θ) du sinogramme y

i : nombre d'événements enregistrés sur la LOR repérée par la distance d et l'angle θ.

θ=0

d

1 ligne du sinogramme : événements enregistrés sur un

ensemble de LOR parallèles => 1 projection projection

Ensemble de LOR passant par un

détecteur situées le long d'une diagonale du sinogramme

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PET " dédié » : principe

reconstruction tomographique x y z collimation

électronique

projection anneau de détecteurs cristal bien adapté à

511 keV

organisation des données en sinogrammes ou projections

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PET avec détecteurs en anneau

blocs de détecteurs e.g.,

8x8 détecteurs

assemblage des blocs en modules e.g.,

1 module = 4 blocs

= 256 détecteurs assemblage des modules en couronnes e.g.,

1 couronne = 16 modules

= 4096 détecteurs juxtaposition des couronnes e.g.,

2 couronnes

= 8192 détecteurs axe du tomographe axe du tomographe axe du tomographe

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Exemple de PET avec détecteurs en anneau

module

1 couronne de détecteur

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Caractéristiques du PET avec détecteurs en anneau • Machines "dédiées" ➩configuration optimisée pour le PET • Paramètres "typiques" plus de 500 détecteurs par anneau diamètre de l'anneau ~ 80 cm ~ 30 couronnes de détecteurs intervalle entre 2 couronnes ~ 5 mm fenêtre de coïncidence τ ~ 5 - 20 ns

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Principe du PET temps de vol

x y z collimation

électronique

estimation directe de la position de l'annihilation sur la ligne de projection (a priori, pas de reconstruction tomographique nécessaire) t1 t2 mesure de t2-t1

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Contraintes liées au PET temps de vol

• Cristal à décroissance temporelle très rapide ➩BaF2 (0,8 ns) ➩fenêtre de coïncidence τ ~ 0,4 - 4 ns • Emission à 10 cm du centre ➩d2-d1 = 20 cm ➩t2-t1 = 667 ps ➩localisation de l'émission avec 10 cm d'imprécision ➩nécessité d'effectuer une reconstruction tomographique adaptée • 1 tube photomultiplicateur associé à chaque cristal ➩simplification de l'électronique pour réduire le temps de traitement des événements ➩réduction du temps mort d1 d2 10 cm

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Exemple de PET temps de vol : TTV03 Orsay

TTV03Siemens

EXACT HR

Diamètre des

couronnes (cm)

Nombre de couronnes

Nombre de détecteurs

par couronne

Dimensions des

cristaux (mm)

Cristaux

Résolution spatiale

(mm)

Résolution temporelle

89

4 à 6

324

7 x 18 x 45

BaF2 5

650 ps

82
24
784

2,9 x 5,9 x 30

BGO 4

PET temps de volPET classique

~1980

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PET temps de vol dans les années 80

• Faible densité du BaF2 par rapport au BGO (et faible numéro atomique) • Tubes photomultiplicateurs pas assez rapides, pas suffisamment compacts • Electronique trop lente Les travaux sur le PET TOF sont arrêtés dans les années 90

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Ce qui a changé récemment

• Electronique GHz devient classique • Développement de TPM plus compacts • Nouveaux scintillateurs : - LSO : 500 ps de résolution temporelle sur un module PET - LaBr3 : 300 ps - LYSO - LuI3

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Intérêt du PET temps de vol

Groiselle et al, IEEE MIC Conf Rec 2004

No TOF

700 ps

500 ps

300 ps

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PET 2D : principe

Vue transaxiale

septa inter-plans

Vue axiale

couronnes de détecteurs lignes de mesure

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Caractéristiques du PET 2D

• Imagerie 2D ➩reconstruction tomographique "coupe par coupe"quotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

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