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Guillaume BONNIAUD Service de Physique - Institut Gustave ROUSSY

La correction d’atténuation des images de T omographie par É mission de P ositons ( TEP ) utilisant les images de T omo d ensito m étrie ( TDM ). Guillaume BONNIAUD Service de Physique - Institut Gustave ROUSSY. ?. 1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) : qu’est-ce que ?.

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  1. La correction d’atténuation des images de Tomographie par Émission de Positons (TEP) utilisant les images de Tomodensitométrie (TDM) Guillaume BONNIAUD Service de Physique - Institut Gustave ROUSSY

  2. ? 1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) : qu’est-ce que ? 2- Un biais de détection en TEP : l’atténuation NP = Nsource.exp[-µ(L).dL] 3- La Correction d’Atténuation (CA) en TEP à partir des images de Tomodensitométrie (TDM) 4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique

  3. 1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) • La TEP est une modalité d’imagerie fonctionnelle • Imagerie fonctionnelle : imagerie permettant l’analyse de la fonction des organes par la détection d’une molécule marquée (traceur radioactif), caractéristique de la fonction à étudier, administrée à l’organisme. Injection d’un radiotraceur émetteur de positons • La TEP en cancérologie: Fonction : activité tumorale et métastatique => La cellule cancéreuse consomme plus de glucose que les autres cellules Molécule marquée : analogue du glucose marqué par un émetteur de positons, le 18F-Fluoro-déoxyglucose (18FDG) Détection : caméra dédiée à la détection des positons

  4. Photon de 511keV Photon de 511keV 1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) • Principe de la détection en TEP (1) • L’émission de positons (+) 1. Émission du positon Injection d’un radiotraceur émetteur + 2. Thermalisation (interaction positon - matière) sur quelques mm 3. Annihilation (interaction positon thermalisé – électrons des couches supérieures de la matière) Fixation de + 4. Émission de 2 photons de 511keV en opposition (180  0,3°) Ce sont les photons d’annihilation qui vont être détectés

  5. Anneau de détection Injection d’un radiotraceur émetteur + Ligne de coïncidence Émission en opposition des 2 photons d’annihilation 1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) • Principe de la détection en TEP (2) • La détection des photons d’annihilation Ligne de coïncidence = Fenêtre temporelle (quelques ns) + fenêtre spectrale (350 à 650 keV) Ligne de Réponse (LOR) Chaque LOR contient le nombre de positons émis sur cette ligne Détection en coïncidence de lignes de réponse (LOR)

  6. Anneau de détection    r R Ligne de coïncidence Ligne de coïncidence 1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) • Principe de la détection en TEP (3) • Représentation graphique de la détection en coïncidence : le sinogramme Sinogramme Ligne de Réponse (LOR) 1 pixel = N (nombre de coïncidences) Sinogramme : 1 point représente une LOR

  7. Anneau de détection 1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) • Reconstruction des images TEP • Acquisition de Lignes de Réponse (LOR) : LOR1, LOR2, LOR3, … LOR2 (chaque LOR contient le nombre de positons émis sur cette ligne) • Les algorithmes de reconstruction d’images restituent, à partir de l’ensemble des LOR acquises, la distribution 3D des émissions de positons dans le champ de vue de la caméra TEP LOR4 LOR1 LOR3 Deux types d’algorithmes de reconstruction d’images : reconstructions analytiques / itératives Visualisation de la reconstruction sous forme d’images transverses, sagittales et coronales

  8. Anneau de détection 1- La Tomographie par Émission de Positons (TEP) • Limitations de la technique de détection en TEP • Détection de coïncidences : L’émission de positon n’est pas sur la LOR détectée = bruit • Diffusées • Fortuites Coïncidences « vraies » (signal) ~ 1% des coïncidences détectées en 3D • Résolution spatiale finie des détecteurs • Atténuation des photons d’annihilation dans le patient

  9. Anneau de détection Ligne de coïncidence 2- L’atténuation en TEP • L’atténuation en TEP (1) : • Atténuation des photons d’annihilation (511 keV) Ligne de Réponse (LOR) • L’atténuation en TEP : - Ne dépend pas du lieu d’émission sur la LOR à l’intérieur de l’objet ; - Dépend uniquement de la densité du milieu atténuant sur la LOR.

  10. Sinogramme   R r 1 pixel = N (nombre de coïncidences) Ligne de coïncidence Nmesuré=  n(L)affecté par l’atténuation.dL avec L = LOR 2- L’atténuation en TEP • L’atténuation en TEP (2) : • Influence sur la détection Nthéorique=  n(L).dL avec L = LOR

  11. Nombre d’émission de postions Nombre d’émission de postions Profil transverse Profil transverse 2- L’atténuation en TEP • Conséquences (1) : • Perte de signal => évènements non détectés Objet homogène Image

  12. Comment va-t-on corriger les images TEP de l’atténuation des photons d’annihilation? 2- L’atténuation en TEP • Conséquences (2) : • Quantification erronée => erreur dans la restitution du nombre d’émissions de positons de l’objet dans l’image • Atténuation inégale suivant la profondeur => détection des lésions profondes difficile Image TEP transverse non corrigée de l’atténuation

  13. 3- La Correction d’Atténuation (CA) en TEP • Comment corriger de l’atténuation ? • Solution théorique exacte N =  n(L).FCA.dL avec FCA = Exp (µ(L).dL) (L = LOR) => Pondération des projections par un Facteur de Correction d’Atténuation (FCA) • Détermination du FCA Le calcul du FCA nécessite la connaissance de la cartographie 3D des coefficients d’atténuation => Utilisation du TDM (Tomodensitomètre ou scanner à RX)

  14. Signal relatif Energie (keV) 50 100 200 300 400 500 3- La CA en TEP utilisant les images TDM • Problèmes • Les rayons X utilisés en TDM sont émis suivant un spectre continu de rayonnement de freinage (40-140 keV) alors que les photons d’annihilation des positons sont mono-énergétiques (511 keV). • L’énergie de ces deux rayonnements est différente • Relation non linéaire des coefficients d’atténuation entre 70 et 511 keV Retrouver la cartographie 3D des coefficients d’atténuation à 511keV nécessite une conversion des coefficients d’atténuation du TDM

  15. 70 keV µpoumons µtissus mous µpoumons µos µtissus mous Conversion µ70keV => µ511keV µos 3- La CA en TEP utilisant les images TDM • La conversion des coefficients d’atténuation • Définition d’une énergie effective du faisceau de rayons X utilisé en TDM (Eeff70 keV) • Conversion de 70 à 511 keV par segmentation des images TDM 511 keV Segmentation

  16. Images TDM (Eeff =70keV) reformatage Sinogrammes TDM (Eeff =70keV) Conversion x Sinogrammes TEP CA Sinogrammes TDM (E=511keV) Sinogrammes TEP non CA Intégration 3- La CA en TEP utilisant les images TDM • Synthèse Images TEP CA Algorithme de reconstruction

  17. 3- La CA en TEP utilisant les images TDM • Résultats • Qualitatif : CA induit diminution du contraste/amélioration de la détection CA des images TEP par TDM adoptée en clinique • Quantitatif : CA par TDM « robuste » • Exemple : Non corrigée Corrigée Coupe coronale Coupe sagittale Coupe transverse

  18. 4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique • La TEP en pratique clinique • Déroulement d’un examen : • Injection du 18FDG (à jeun) • Repos de 45 minutes au minimum • Examen TEP (45 minutes environ) • La lecture des images TEP : recherche des hyperfixations pathologiques • La CA utilisant le TDM impose la meilleur concordance possible entre la position du patient pendant l’examen TEP et l’examen TDM => machines hybrides : TEP et TDM couplés

  19. 4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique • A quoi ressemble une caméra TEP-TDM ? • Le TEP-TDM Biograph de Siemens

  20. Meilleure localisation anatomique des zones d’hyperfixation pathologiques 4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique • Le TEP-TDM en clinique : • La fusion d’image : TEP-TDM TDM : information anatomique TEP – TDM : information anatomique ET fonctionnelle TEP : information fonctionnelle

  21. 4- La TEP, le TDM et la CA en pratique clinique • Le TEP-TDM en clinique : • La correction d’atténuation utilisant les images TDM Artefacts de corrections possibles (Produit de contraste/Prothèses)

  22. L’acquisition des images de TDM est rapide Les images TDM apportent une information anatomique importante A Le TDM est une modalité d’imagerie irradiante (dose au patient) Les éventuels artefacts du TDM peuvent se propager dans les images TEP corrigées de l’atténuation I Conclusion • Avantages/Inconvénients de la CA des images TEP utilisant les images TDM : • Le but de ma thèse : évaluer l’impact de la statistique des images TDM sur la détectabilité en TEP corrigée de l’atténuation

  23. Remerciements • Bernard AUBERT • Jérémy COULOT • Frédéric LAVIELLE • Marcel RICARD

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