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La Tomographie par Emission de Positons, mieux connue sous son acronyme de TEP certainement de PET Scan (en anglais), est une technique qui relève de la scintigraphie. C’est un examen à viser diagnostique, reposant sur la détection de positons produits par une substance radioactive administrée au patient par voie intraveineuse. La TEP fournit une image précise de l’activité cellulaire à l’intérieur du tissu observé .
Définition de la Tomographie par Emission de Positrons « TEP »
Le mot tomographie se décompose en deux parties : tomo et graphie. La racine tomo provient du grec ancien et signifie couper. La racine graphie provient du grec ancien puis du latin et signifie écrire. La tomographie par émission de positons TEP, est une méthode d’imagerie médicale pratiquée par les spécialistes en médecine nucléaire qui permet de mesurer en trois dimensions une activité métabolique ou moléculaire d’un organe. Elle consiste donc à reconstruire le volume d’un objet par coupes à partir de mesures externes. Ensuite, comme son nom l’indique, la TEP repose sur l’émission de positons issus d’un produit radioactif injecté préalablement. Ceux-ci sont émis par désintégration d’isotopes radioactifs spécifiques, qui donnent lieu, à la création de deux photons gamma () dans deux directions opposées.
Principe de fonctionnement
La TEP repose sur le principe général de la scintigraphie qui consiste à injecter un traceur dont on connaît le comportement et les propriétés biologiques pour obtenir une image du fonctionnement d’un organe ou la présence d’une cible moléculaire.
La scintigraphie en TEP est obtenue par injection d’un traceur faiblement radioactif par voie intraveineuse. Ce traceur est marqué par un atome radioactif (carbone, fluor, azote, oxygène,…), après il s’associe à sa cible biologique.
Le marqueur le plus souvent utilisé est le fluor-18 (¹⁸F) incorporé dans une molécule de glucose formant le ¹⁸F-fluoro-désoxyglucose (¹⁸F-FDG). Le traceur est semblable au glucose, il se fixe au niveau des tissus qui consomment de grandes quantités de sucre, comme les tissus cancéreux, le muscle cardiaque ou encore le cerveau. L’atome radioactif (exemple le ¹⁸F) se désintègre en émettant un positon. Celui-ci va s’annihiler avec un électron du milieu, après un très court parcours de l’ordre du millimètre (environ 0,6 mm). Cette annihilation produit deux photons gamma de 511 keV qui partent sur une même direction mais dans un sens opposé, ce qui rend possible le traitement tomographique des données. En effet, les capteurs situés tout autour du patient détectent les photons d’annihilation en coïncidence (c.-à-d. ceux qui arrivent en même temps), ce qui permet d’identifier la ligne sur laquelle se situe l’émission des photons.
L’examen se poursuit quelques dizaines de minutes, pendant lesquelles plusieurs dizaines ou centaines de millions de coïncidences sont détectées et enregistrées. À partir de la liste des coïncidences détectées, un système informatique reconstitue ensuite à l’aide d’un algorithme de reconstruction les images de la répartition du traceur au niveau d’une partie ou de la totalité du corps sous la forme d’une image 2D ou d’un objet 3D.
Limitations des systèmes TEP
En TEP, la fiabilité de la quantification est affectée par deux composantes : le détecteur qui sert à acquérir les données, et les méthodes qui servent à traiter les données pour en extraire des paramètres quantitatifs. Un des critères essentiels de l’analyse qualitative en TEP est la résolution spatiale, qui sera dégradée par deux facteurs essentiels liés à l’émission du positon (parcours du positon) et à la détection des photons d’annihilation (non colinéarité). En outre, il y a d’autres phénomènes biaisant les données à partir desquelles sont estimés des paramètres quantitatifs sont: les différents types de coïncidences, l’atténuation des photons gammas, la profondeur d’interaction, la diffusion des photons dans le cristal, bruit de mesure et le temps mort. Tous ces événements influençant sont constitués des limites physiques fondamentales.
Parcours du positon
Le signal délivré suite de la détection des photons fournit une information sur le lieu d’annihilation du positon, mais on cherche le lieu d’émission du positon et la localisation du radio-traceur. Tel que la distance qui sépare le point d’émission du positon et le point de son annihilation, s’appelle « distance de vol de positon », par conséquent est un facteur qui dégrade la résolution spatiale en TEP. Ce parcours dépend essentiellement de l’énergie du positon et de la densité électronique du milieu.
Acolinéarité des photons γ émis
On a été décrit auparavant, les deux photons d’annihilation ne sont pas émis exactement à 180˚, mais avec une certaine acolinéarité dont la distribution gaussienne présente une largeur de l’ordre de 0,5˚. Ce facteur limitant génère un biais dans la reconstruction de la ligne de réponse dégradant aussi la résolution spatiale .
Types de coïncidence
La signature des désintégrations β + est l’émission simultanée et absolument opposée (~180°) de deux photons γ de 511 keV, suite à l’annihilation du positon et électron. lorsqu’une paire de photons γ issue de la même annihilation et de direction opposée est détectée, on compte une vraie coïncidence constituant véritablement le signal utile en TEP.
Néanmoins, l’acquisition faite contient une grande proportion de coïncidences erronées (sources de bruit) par rapport aux coïncidences vraies (les coïncidences diffusées et les coïncidences fortuites).
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Table des matières
Introduction générale
I Généralité de la technique d’imagerie nucléaire TEP
Introduction
I.1 Définition de la Tomographie par Emission de Positrons « TEP »
I.2 Principe de fonctionnement
I.3 Principes physiques
I.3.1 Désintégration β+ et émission du positon
I.3.2 Production des radionucléides
I.3.3 Différents radio-traceurs utilisés en TEP
I.3.3.1 18F FDG (Fluoro-désoxyglucose)
I.3.3.2 [ 18F] Fluoro-DOPA
I.3.3.3 [11C] Méthionine
I.3.3.4 [ 18F] NaF
I.3.3.5 [ 11C] Raclopride
I.3.3.6 [15O] H2O
I.3.3.7 [13N] NH3
I.3.3.8 [18F] Fluoro-choline
I.3.4 Annihilation des positons
I.3.5 Système de détection en TEP
I.3.5.1 Effet photoélectrique
I.3.5.2 Diffusion Compton (inélastique)
I.3.5.3 Diffusion Rayleigh (élastique)
I.3.5.4 Production de paires
I.3.6 Chaine de détection des photons d’annihilation
I.3.6.1 Cristal scintillateur
I.3.6.1.1 Choix du scintillateur
I.3.6.1.2 Analyse des principaux cristaux disponibles
I.3.6.2 Guide de lumière
I.3.6.3 Tubes photomultiplicateurs (TPM)
I.3.6.4 Détection en coïncidence
I.4 Limitations des systèmes TEP
I.4.1 Parcours du positon
I.4.2 Acolinéarité des photons γ émis
I.4.3 Types de coïncidence
I.4.3.1 Coïncidences vraies
I.4.3.2 Coïncidences diffusées
I.4.3.3 Coïncidences fortuites
I.4.4 Atténuation des photons γ
I.4.5 Profondeur d’interaction.
I.4.6 Diffusion des photons dans le cristal
I.4.7 Bruit de mesure
I.4.8 Temps mort
I.5 Conclusion
II Etat de l’art de la reconstruction des images TEP
Introduction
II.1 Acquisition des données
II.1.1 Stockage des évènements
II.1.1.1 Mode liste
II.1.1.2 Histogramme brute
II.1.1.3 Sinogramme
II.1.2 Inversion de la transformée de Radon
II.2 Problématique de la reconstruction en TEP
II.2.1 Problème inverse
II.2.2 Modélisation statistique
II.3 Résolution de problème inverse
II.3.1 Méthodes de reconstruction analytiques
II.3.1.1 Rétroprojection filtrée (FBP)
II.3.2 Méthodes de reconstruction itératives
II.3.2.1 Méthode ML-EM
II.3.2.2 Méthode OS-EM
II.3.2.3 Méthode PL-OS-EM
II.4 Avantages et inconvénients des méthodes analytiques et itératives
II.5 Conclusion
III Résultats et discussions
Introduction
III.1 Évaluation de performances
III.1.1 Erreur quadratique moyenne (MSE)
III.1.2 Rapport signal sur bruit crête (PSNR)
III.1.3 Corrélation-croisée normalisée (NCC)
III.1.4 Erreur absolue normalisé (NAE)
III.2 Résultats et discussions de la reconstruction en TEP
III.2.1 Résultats et discussions des approches analytiques
III.2.1.1 Rétroprojection filtrée (FBP)
III.2.2 Résultats et discussions des approches itératives.
III.2.2.1 Maximisation expectative du maximum de vraisemblance (ML-EM:
Maximum Likelihood Expectation Maximization (en anglais))
III.2.2.2 Maximisation expectative du sous-ensemble rangé (OS-EM : Ordered
Subset Expectation Maximization (en anglais))
III.2.2.3 Vraisemblance pénalisée de la maximisation expectative du sous
ensemble rangé (PL-OS-EM : Penalizedlikelihood_OrderedSubsetExpectation Maximization
(en anglais))
III.2.3 Comparaison des méthodes analytiques et itératives
III.3 Développement d’une interface graphique appliquée à l’optimisation pour la résolution du problème inverse en TEP
III.3.1 Description de l’interface
III.3.2 Application
III.4 Conclusion
Conclusion générale
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