Le PET-Scan
La Tomographie par Emission de Positons (TEP) est une technique d'imagerie médicale fonctionnelle, également appelée métabolique.Par opposition aux techniques d'imagerie médicale conventionnelle, dites anatomiques (Radiologie, Scanner, Imagerie par Résonance Magnétique), elle s'intéresse au fonctionnement des organes. Elle est fondée sur l'administration d'une substance radioactive émettrice de photons gamma, dont on suit la distribution dans l'organisme avec un détecteur approprié : le PETSCAN.
La TEP fait ainsi partie au même titre que la scintigraphie des examens dits de Médecine Nucléaire (ou Radio-Isotopes), car elle utilise d'infimes quantités de produit radioactif lors de sa réalisation.
Apparence du pet-scan
Un Petscan ressemble à un scanner traditionnel. Il s'agit d'un appareil au travers duquel se déplace un lit mobile, ainsi seule une partie du corps se trouve dans la machine à un instant donné. L'espace réservé au patient est donc ainsi réduit, mais le sentiment de claustrophobie ressenti par certains lors de l'examen est relativement rare et beaucoup moins fréquent qu'en IRM. Par ailleurs, l'examen est totalement silencieux. (Voir Quelques images à la fin de l'article)
Les grandes utilisations du Pet-scan
Historiquement, le domaine de prédilection de la tomographie par émission de positons était la Neurologie. Au cours de ces 20 dernières années, la majorité des publications scientifiques se sont intéressées à ce domaine; secondairement et notamment depuis 1985, le PET s'est progressivement développé dans deux autres voies que sont la Cardiologie et la Cancérologie.
Les 3 champs principaux d'applications cliniques du PET sont aujourd'hui par ordre d'importance :
D'autres domaines d'applications interesse egalement le PET, mais reste encore du domaine de la recherche : schizophrénie, autisme, infectiologie, étude des récepteurs...
Explication de la TEP
La TEP ou PETSCAN, tout comme la scintigraphie, repose sur l'injection d'un traceur, le plus souvent du 18 Fluoro Deoxy Glucose ou 18 FDG. La distribution de ce traceur dans l'organisme sera détectée grâce à un scanner particulier : le PETSCAN.
En PET, les isotopes utilisés sont de demi-vie très brève (de quelques minutes à quelques heures), leur schéma de désintégration est simple : lors de leur désintégration radioactive, ils émettront un positon** (l'anti particule de l'électron). Ce positon après un parcours très bref dans la matière (1 à 3 millimètres) rencontrera sa particule soeur l'électron. De cette rencontre matière-antimatière, résultera une réaction d'annihilation, les deux particules disparaîtront en donnant naissance à deux photons. Ces deux photons seront émis en direction diamétralement opposée (180°) et emporteront avec eux une énergie constante (511KeV: Kili-électron-volt = unité d'énergie )
Le PETSCAN ne détectera ainsi pas directement le positon, mais les deux photons émis lors de son annihilation. Le principe du petscan repose sur la détection simultanée (détection en coïncidence) de ces DEUX photons.
Ce phénomène d'annihilation se répétera plusieurs milliers de fois par seconde : le PETSCAN en enregistrant simultanément ces deux photons tentera de connaître l'origine et le lieu de cette désintégration. Une fois les informations recueillies par l'ensemble des détecteurs, l'ordinateur sera en mesure de reconstruire une série de coupes anatomiques du corps (tomographie), faisant apparaître sous différents contrastes les lieux où a été détecté le maximum d'annihilations.
Après la prise d'image, pour les améliorer, on utilise la correction d'atténuation.
D'une manière un peu simpliste, ne pas corriger l'atténuation, serait comme contempler une source de lumière à travers le brouillard, et la corriger équivaudrait à contempler cette lumière par temps clair. La correction d'atténuation correspond ainsi à trouver un moyen de mesurer de combien le brouillard atténue le rayonnement: l'idée de mesurer ce facteur se réalise le plus souvent grâce à un scanner de "Transmission".
Lors de l'examen PET, il s'agit en fait de la réalisation d'un "scanner d'émission " (Positron Emission Tomography). Emission signifie en effet que la radioactivité détectée par le scanner est émise par le sujet lui-même, grâce au traceur injecté, et non par le scanner (cas du Scanner X ). Ainsi les photons gamma émis depuis les réactions d'annihilation devront traverser l'organisme afin d'être détectés. Au cours de leur trajet, et en fonction des tissus rencontrés ceux-ci seront atténués à divers degrés.
Il est ainsi aisément compréhensible que si une réaction d'annihilation a lieu dans le poumon gauche, l'un des photons n'aura qu'à traverser la paroi de la cage thoracique pour aller frapper le détecteur du petscan. Le second photon, émis dans la direction opposée, devra traverser successivement le poumon gauche, le médiastin et le cœur, le poumon droit et la paroi thoracique droite avant de "sortir" de l'organisme. Au cours de ce type de parcours, de nombreux photons se trouveront " atténués".
L'atténuation dépend donc des structures traversées, dans l'air (poumons) les photons seront donc peu atténués, alors que dans des structures plus solides comme les muscles ou les os, ils le seront nettement plus.
Afin de corriger les images " d'émission " de cette atténuation, il est très souvent réalisé conjointement une image dite "de transmission ". Afin de simplifier, cette dernière suit le processus inverse de la précédente. Une source radioactive, tournera rapidement autour du patient, émettra dans une direction précise des photons gamma, qui traverseront l'organisme (la coupe) et qui seront détectes de l'autre coté par un détecteur approprié. Ce procédé permet la réalisation d' une "carte des coefficients d'atténuation " du sujet. Ainsi pour chaque coupe, et pour chaque point de cette coupe, l'ordinateur aura connaissance de l'atténuation qu'auront subie les photons (émis depuis ce point) lors de la réalisation des images d'émission. Les images du PET peuvent être ainsi " corrigées de l'atténuation " grâce aux images de transmission.
Le plus souvent, ces séquences de transmission sont intégrées aux séquences d'émissions et la succession de ces acquisitions passe pour un seul examen aux yeux du patient. La correction d'atténuation permet "globalement" d'améliorer la qualité des images.
Les grands principes du pet-scan (exemple avec le 18 FDG)
La réalisation d'un PETSCAN nécessite l'injection d'un traceur, nous prendrons ici pour exemple le traceur le plus utilisé : le 18 FDG, 18 fluoro-déoxy-glucose (molécule de glucose dont l'un des groupements hydroxyl (OH), en position 2, a été remplacé par un atome de fluor radioactif (18F)).L'examen réalisé au 18 FDG est souvent appelé TEP au 18 FDG ou 18FDG-PET ou encore Scintigraphie au 18FDG.
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1 Synthèse de l'isotope émetteur de positon.
La synthèse de l'isotope -fluor 18- est réalisée grâce à un cyclotron médical. Sa production est réalisée en bombardant de l'oxygène avec des protons, ceci afin d'enrichir le noyau de l'atome de fluor en protons. Cet enrichissement du noyau rendra l'atome instable. Afin de revenir à son état normal, le fluor dans notre exemple émettra un positon.
3. Contrôle de qualité du traceur.
Avant toute injection à l'homme, le 18FDG doit satisfaire à certaines conditions réglementaires.Ce contrôle de qualité doit s'assurer de :
- la pureté chimique (détection d'autres composés chimiques actifs, mesure du pH…)
- la pureté radio-chimique (détection de composés chimiques secondaires également marqués par l'isotope)
- la pureté radio-isotopique (détection d'autres isotopes)
- la pureté micro-biologique (le soluté doit être stérile, détection de contaminations bactériennes…)
- la pyrogénicité (le soluté ne doit pas contenir d'agent pyrogène, "succeptible d'engendrer la fièvre")
4. Injection.
Le 18FDG est ensuite rapidement injecté au patient, le plus souvent dans une veine du bras, comme une simple perfusion intraveineuse. Afin de permettre au FDG de se répartir correctement dans l'organisme, il est demandé au patient de rester allongé, au repos strict, durant 45 minutes. Cette période de repos absolu est essentielle.
5. L'examen proprement dit
Le patient est placé sur la table d'examen, bras le long du corps. Cette table se déplacera progressivement à l'intérieur du Petscan afin de réaliser l'acquisition des images. Dans certaines indications, Cancer du sein par exemple, il sera réalisé une acquisition supplémentaire (bras positionnés au dessus de la tête afin de dégager les creux axillaires).
La durée de l'examen peut ainsi varier de 45 minutes à 1heure 30 en fonction du type de caméra utilisée et du protocole suivi.
Détection du fluor
L'atome de Fluor F18 va émettre un positon, celui s'échappera du noyau et après un parcours très bref de quelques millimètres dans la matière, rencontrera un électron appartenant à un autre atome. Le positon est la particule sœur de l'électron, sa charge électrique est identique à celle de l'électron, mais celle-ci est positive.
Cette rencontre électron - positon ( matière - antimatière) entraînera la disparition des deux particules au cours de la " réaction d'annihilation ". Fidèle au vieil adage, " rien ne se perd tout se transforme ", cette réaction d'annihilation provoquera l'émission de deux photons, émis dans des directions diamétralement opposées.
Enfin selon une équation célèbre E=mc² , ces deux photons (photons gamma) emporteront avec eux une énergie de 511 KeV.
KeV ( Kili-électron-volt = unité d'énergie)
Cette cascade d'événements: émission du positon, annihilation et émission des deux photons se répétera plusieurs milliers de fois par seconde au cours de l'examen.
Les détecteurs du Petscan sont disposés en couronne, réalisant un véritable "anneau de détecteurs" autour du patient. Ces détecteurs sont composés de deux éléments principaux : le Cristal et le Photomultiplicateur.
Le cristal (NaI, BGO) permettra la détection des photons : lorsque le photon émis percutera le cristal, il y aura émission de lumière (scintillation). Cette "lumière" sera ensuite transformée en signal électrique et amplifiée par un photomultiplicateur couplé au cristal.
Les photons émis à 180° l'un de l'autre seront donc détectables par des cristaux opposés (cf ci-contre). L'endroit précis de l'annihilation se trouvera donc sur une ligne rejoignant ces cristaux. Le système électronique dit de "détection en coïncidence" enregistrera ainsi ces deux signaux opposés afin de savoir s'ils proviennent de la même réaction d'annihilation.
Grâce à l'enregistrement de ces "lignes" dans différentes directions, le système informatique du petscan sera en mesure de préciser où s'est produite l'annihilation.
L'endroit de l'annihilation correspond à quelques millimètres à celle du positon, donc de l'atome de fluor et par voie de conséquence du 18FDG.
De cette manière, le Petscan est en mesure d'étudier la répartition d'un traceur dans l'organisme en fonction du processus biologique étudié.
A partir de ces données brutes, l'ordinateur reconstruira les images dans les 3 plans de l'espace afin d'étudier la répartition d'un traceur dans l'organisme.
Les différents émetteurs de positon et traceurs radioactifs utilisés en PET
Le fluor est l'isotope le plus largement utilisé en PET, il existe cependant d'autres atomes disponibles : carbone, azote, oxygène. La synthèse de ces 4 émetteurs de positons est réalisée grâce au cyclotron.
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Atome
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Isotope
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Demi-vie
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Cible
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Carbone
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11C
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20,4 min
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natN2 gaz
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Azote
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13N
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9,96 min
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natN2 gaz
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Oxygène
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15O
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2,07 min
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15N2 gaz ou natN2 gaz
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Fluor
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18F
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109,8 min
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18O2 liquide ou nat Ne gaz
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La synthèse de ces atomes émetteurs de positons ne se fait pas à partir de leur atome stable respectif. Ainsi, la synthèse du fluor 18, se réalise le plus souvent à partir d'oxygène 18 liquide.
Ces émetteurs de positons présentent deux caractéristiques essentielles :
a) Les isotopes éphémères
Ces isotopes ont des demi-vies très brèves, c'est-à-dire qu'ils perdent très rapidement leurs propriétés radioactives, donc leur capacité à émettre des positons. Ce laps de temps est caractérisé par la demi-vie et représente la période de temps au bout de laquelle la moitié de ces atomes est revenue à son état stable.
La demi-vie du Fluor 18 est d'environ 109,8 min. soit moins de deux heures. Ainsi, s'il est injecté une dose de 100 à 8 heures du matin, deux heures après (une demie-vie) il en restera 50, à 12 H soit 4 heures après (deux demie vie) 25, 6 heures après 12,5....
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Heure
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Délai
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Activité restante
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%
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8 h
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H
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100
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100 %
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10 h
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H+2
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50
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50 %
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12 h
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H+4
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25
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25 %
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14 h
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H+6
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12.5
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12.5 %
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16 h
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H+8
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6.25
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6.25 %
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18 h
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H+10
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3,12
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3,125 %
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20 h
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H+12
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1,562
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1,562 %
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22 h
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H+14
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0,786
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minuit
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H+16
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0,390
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8 h le lendemain
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H+24
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0,020
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< 0,02 %
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8 h le surlendemain
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H+48
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0.0000059
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< 0.000006 %
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Une semaine après :
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0,000000000000000000000005169879 ...
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En réalité, cette radioactivité disparaît encore plus rapidement, car le FDG est également éliminé par l'organisme: juste après l'examen, soit environ deux heures après l'injection, une grande partie du produit se retrouvera dans la vessie, et le sujet ira simplement uriner.
Après 7 demi-vies (moins de 14 heures pour le 18 FDG) 99% de la radioactivité aura disparu.
Ces demi-vies très brèves imposent que le lieu de fabrication de l'isotope ne soit pas trop éloigné de son lieu d'utilisation. Dans le cas du Fluor 18, si celui-ci n'est pas synthétisé directement dans le service (rares sont les hôpitaux français disposant d'un cyclotron) , la durée de transport maximum est estimée à deux heures, soit environ 200 km.
L'utilisation des autres isotopes, carbone, oxygène, azote, nécessite une synthèse sur site.b) Atomes a la base de nombreuses molécules
La totalité de l'univers est constituée de 92 éléments naturels. Le principal d'entre eux est l'hydrogène qui représente 90% de la matière connue, suivi de l'hélium qui représente la plus grande part des 10% restants (en masse). Les 90 autres éléments ne sont présents qu'à l'état de traces. Toutefois l'immensité de l'univers est telle que ces traces représentent une masse énorme de matériaux.
Les organismes biologiques sont constitués de ces 92 éléments. Mais leur proportion est radicalement différente de celle de l'univers. Quatre éléments prédominent nettement : l'hydrogène, le carbone, l'azote et l'oxygène.
Le tableau ci-dessous récapitule les proportions de ces éléments dans la matière vivante :
Elément Hydrogène Azote Oxygène Carbone Dans l'organisme, les deux corps principaux sont l'hydrogène et l'oxygène. Ceci ne fait que refléter l'importance de l'eau dans la matière vivante. L'eau "enlevée", le corps dominant est le carbone. Ces 4 atomes entrent dans la composition de la majorité des molécules organiques. Quelques exemples simples: l'oxygène O2, l'eau H2O, le gaz carbonique CO2, le glucose C6H12O6, l'ammoniaque NH3, les acides aminés, l'ADN,...
A l'aide de la radiochimie, il sera possible d'incorporer ces isotopes émetteurs de positons à la place de leurs homologues naturels dans de nombreuses molécules: H20, CO2 N*H3 ; dans le cas du fluor 18, celui-ci pourra se substituer à la place d'autres atomes. Ces molécules marquées constitueront les traceurs utilisés en PET. Le PETSCAN étudiant leur répartition dans l'organisme, permettra de suivre le métabolisme de ces molécules.
Il est ainsi théoriquement possible de synthétiser une quantité infinie de traceurs en fonction du métabolisme que l'on désire étudier : Acides aminés, Antibiotiques, Chimiothérapies etc.. Ce potentiel quasi illimité fait l'atout majeur de la tomographie par émission de positons.
A titre d'exemple, si l'on veut suivre la pénétration et le métabolisme d'une molécule de chimiothérapie dans l'organisme, au sein des cellules cancéreuses, il est possible de " marquer " cette molécule de chimiothérapie à l'aide de l'isotope approprié (ex: 5-Fluoro-Uracile marqué au Fluor 18), et ensuite de tracer le 5FU dans l'organisme.
De par sa demi-vie "optimale", ses caractéristiques physiques, le Fluor est à l'heure actuelle, l'isotope le plus utilisé, c'est lui qui permettra le marquage du Glucose pour former le 18F- Fluoro-Déoxy-Glucose ou 18FDG.
2. Les traceur radioactifs
Comme nous le verrons plus loin, le traceur le plus utilisé en PET est le 18F- fluoro-déoxy-glucose (18-FDG).
Le tableau ci-dessous récapitule les principaux traceurs utilisés en PET, cette liste est bien entendu non exhaustive, de nouveau traceurs étant synthétisés régulièrement.
Traceur Mécanismes / Métabolismes étudiés 18 FDG Métabolisme glucidique 18 F 18F-Fluoro-Dopa Synthèse dopaminergique 18F-Fluoro-misonidazole Cellules tumorales hypoxiques 18F-Uracile (FU) Evaluation de réponse chimiothérapeutique (5FU) 18 FLT Thymidine Fluorée Prolifération cellulaire Fluor H²O15 (Eau marquée) Perfusion 11C-Acétate Métabolisme oxydatif (myocardique + tumeur) 11C-Palmitate Métabolisme myocardique (acides gras) 11C-Tyrosine Métabolisme tumoral 11C-Thymidine Prolifération cellulaire 11C-Méthionine Métabolisme tumoral des acides aminés et transport 11C-Choline 11C-Acide-Amino-IsoButyrique (AIB) Métabolisme tumoral des acides aminés 11C-Acide-Amino-CyclopentaneCarboxylique (ACPC) Métabolisme tumoral des acides aminés 13N-NH3 (ammoniaque) Perfusion myocardique 13N-Glutamate Métabolisme tumoral Les précautions avant et après l'examen
Les précautions à prendre avant l'examen sont les suivantes:
- Informer impérativement le médecin de la présence d'une grossesse, comme de tout retard de règles
- Rester à jeûn au moins 6 à 8 heures avant l'examen,
- Bien boire après l'injection et dans les heures qui suivent l'examen, ceci afin d'accélérer l'évacuation du produit.
- Vider au maximum sa vessie juste avant la réalisation de l'examen, pour réduire la concentration de traceur dans la vessie et minimiser ainsi les artéfacts sur les images
- Eviter tout effort musculaire inutile avant l'examen (marathon, course de fond…), tout exercice musculaire qui aurait tendance à accroître la consommation de sucre dans les muscles. Après l'injection du traceur, il sera demandé au patient de rester au calme, immobile, ceci pour les mêmes raisons.
Le seul point à signaler est éventuellement une certaine prédisposition vis-à-vis de la claustrophobie, indisposant le patient lors d'une position allongée, prolongée sur la table du PETSCAN.
Après l'examen, le patient reste faiblement irradiant. Cette irradiation de l'organisme est modérée, et de courte durée (10 à 14 heures). Après cette période, la radioactivité aura totalement disparu de l'organisme.
Il est cependant inutile d'exposer les proches durant les quelques heures qui suivent l'examen, il est ainsi par exemple demandé de ne pas garder sur sa poitrine un enfant en bas-age immédiatement et pendant quelques heures après la procédure. Il est conseillé de bien boire après l'examen afin d'accélérer encore l'élimination du produit. Aucun médicament particulier n'est à interrompre après l'examen. L'alimentation et l'exercice physique peuvent être repris aussitôt après. L'examen n'entraîne aucune altération de la vigilance, le patient peut ainsi reprendre son véhicule immédiatement après.
Les contre-indications à l'examen
Grossesse : La grossesse est la seule réelle contre-indication à l'examen. Cette contre-indication est par ailleurs commune à tous les examens utilisant des radiations ionisantes. Il est ainsi impératif que la femme avant l'examen précise l'existence d'une grossesse en cours. Pour les mêmes raisons, l'examen ne sera pas réalisé devant un simple retard de règles. Par ailleurs, dans l'hypothèse d'un désir de grossesse, et ce compte tenu de la brève demi-vie du Fluor 18, il n'existe pas de délai minimum à respecter après l'examen.
Allaitement : il est préférable de suspendre celui-ci durant 10-12 heures après le moment de l'injection. Cette brève suspension est souhaitable pour deux raisons : - une partie du 18-FDG injecté, peut naturellement se retrouver dans le lait maternel. - après l'injection du 18FDG, l'organisme restera pendant quelques heures, modérément irradiant, notamment au niveau de la poitrine (fixation myocardique du traceur), il ainsi préférable de ne pas exposer inutilement l'enfant à cette source de radiation.
Diabète : Le diabète n'est pas une contre-indication au 18FDG-PET, mais il doit cependant simplement être signalé au médecin nucléaire avant la réalisation de l'examen. En effet une glycémie basale élevée modifie parfois l'interprétation des images obtenues. Par ailleurs, la dose de sucre correspondant à l'injection du traceur est minimale et ne déséquilibre guère la glycémie d'un patient porteur d'un diabète sucré.
Les contre-indications classiques concernant l'IRM (prothèse métallique, pace maker..) ne sont en aucun cas des contre-indications au Petscan.
Réalisation pratique de l'examen (18FDG-pet)
La réalisation de l'examen PET lui-même, nécessite habituellement moins d'une heure. Cependant le patient doit s'attendre à consacrer entre 2 et 4 heures à l'ensemble de la procédure. Nous vous détaillons ci-dessous la séquence habituelle de cette procédure.
- Arrivée du patient dans le service : celui-ci doit être impérativement à jeûn depuis 6 à 8 heures. Une hydratation abondante est cependant conseillée afin de permettre une évacuation accélérée du traceur.
- Consultation médicale
- Pose d'une perfusion de sérum salé (NaCl) dans une veine du bras et injection du traceur (FDG) via la perfusion.
- Mise au repos du patient, dans une pièce calme durant 45 à 60 minutes. Ce repos strict, allongé, sans parler, permettra au traceur de se répartir dans l'organisme.
- Retrait de la perfusion, il est demandé au patient d'aller uriner, sa vessie devant être le plus vide possible lors de l'examen.
- Une prémédication (antalgique, myorelaxant) peut être instaurée si le patient se sent particulièrement stressé
Installation du patient sur la table du petscan, bras le long du corps, ou derrière la tête selon les indications.
- Début de l'acquisition des images
- le patient devant rester le plus immobile possible durant cette acquisition
- le lit se déplacera par pas, entre 6 et 8 fois dans le tunnel du Petscan afin de réaliser successivement les
- images.
- Fin de l'examen.
Conclusion: Résumé de l'examen
1. Synthèse de l' isotope Le fluor 18 est synthétisé grâce au bombardement de protons (H+) sur une cible (oxygène 18):
3. Vérification des qualités du 18 FDGPuretés chimique, radio-chimique, radio-isotopique, micro-biologique et apyrogénicité.
4.Injection
Injection intraveineuse du 18 FDG au sujet, suivi d'un repos strict de 45 minutes avant l'examen.
5.Examen PET
45 min. à 1 heure
6.Résultats et Compte rendu.
Et pour terminer, quelques illustrations:
A gauche, le cerveau d'une personne normale, à droite celui d'une personne atteinte de la maladie d'alzheimer (les 2 personnes ont le même âge).
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