Médecine nucléaire : gamma-caméra et caméra à positons - e2Phy

Médecine nucléaire :
gamma-caméra et caméra à positons Jean Philippe VUILLEZ
Service biophysique et médecine nucléaire
Hôpital Michallon et LER Inserm 00-08, Grenoble
mél : JPVuillez@chu-grenoble.fr
La médecine nucléaire est une spécialité de la médecine qui se définit par
l'utilisation de médicaments radioactifs, administrés à des patients à des
fins diagnostiques ou thérapeutiques. Le devenir biologique de ces
radiopharmaceutiques dans l'organisme, c'est-à-dire leur distribution dans
les tissus et son évolution au cours du temps, procure des informations
irremplaçables pour étudier in vivo des processus biochimiques et
physiopathologiques de façon non invasive. L'analyse de la distribution
tridimensionnelle de la molécule marquée, et de son évolution au cours du
temps, apporte les renseignements recherchés.
Pour cela, il faut détecter les molécules radioactives et en préciser la
répartition à l'intérieur de l'organisme. Les médecins disposent pour ce
faire de caméras adaptées, permettant la détection de molécules à l'état de
traces (ne perturbant donc pas les phénomènes explorés), mais repérables
grâce au marquage radioactif. C'est le principe de l'imagerie
scintigraphique. Il faut distinguer les gamma-caméras, utilisées pour
détecter les radionucléides émetteurs de simples photons (photons gamma,
émis au niveau du noyau par désexcitation de celui-ci après une
transformation radioactive) comme le technétium 99m, l'iode 123, l'indium
111, et les caméras à positons, utilisées pour détecter les photons
d'annihilation des émetteurs de positons, comme le fluor 18. I - Les radiopharmaceutiques, médicaments radioactifs Un radiopharmaceutique est un médicament qui lorsqu'il est prêt à
l'emploi contient un ou plusieurs radionucléides (isotopes radioactifs)
incorporés à des fins médicales (loi n° 92-1279 du 8 décembre 1992
modifiant le livre V du code de la Santé Publique et relative à la
pharmacie et au médicament). Les radiopharmaceutiques sont prescrits, dans
le cadre de leur AMM, obligatoirement par un médecin titulaire du DES de
Médecine Nucléaire, sous forme d'une ordonnance nominative pour chaque
patient, précisant le nom du radiopharmaceutique, la quantité ainsi que
l'activité injectées, et les conditions d'administration.
Le radiopharmaceutique étant un médicament, sa préparation doit être
faite par ou sous la responsabilité d'un pharmacien ; s'agissant de
médicament radioactifs, celui-ci doit être de plus titulaire du DESC de
radiopharmacie-radiobiologie. Il est également responsable du contrôle de
qualité de la préparation (pureté radionucléidique, rendement de marquage,
stérilité, apyrogénicité, etc.), indispensable avant l'administration au
patient.
Le choix du radiopharmaceutique est fait en fonction du phénomène à
étudier. Il dépend des propriétés biologiques de la molécule
(biodistribution, métabolisme, dégradation et élimination, fixation
préférentielle dans certains tissus, affinité particulière pour certaines
cellules, etc.) : la connaissance de ces propriétés permet de relier les
résultats scintigraphiques ou thérapeutiques observés à des processus
biochimiques et physiopathologiques, ce qui est au départ de
l'interprétation correcte des examens, ou de la prescription d'une dose
thérapeutique.
Compte tenu des très faibles quantités de molécules injectées, les
radiopharmaceutiques sont dépourvus d'effets secondaires. Le seul risque
théoriquement encouru par le patient est lié à la radioactivité, puisque
l'émission de rayonnements ? et de particules ? dans les tissus est
responsable d'un dépôt d'énergie. Celui-ci, par lésions de structures
cellulaires, en particulier de l'ADN, peut en théorie entraîner
l'apparition d'un cancer ou d'anomalies génétiques transmissibles. En fait
ce risque est extrêmement réduit, et jusqu'à présent aucun effet de ce type
n'a pu être imputé à la Médecine Nucléaire, ce qui ne dispense pas du
respect des principes de justification et d'optimisation en matière de
prescription d'explorations isotopiques.
II - Les systèmes de détection : les gamma-caméras et les caméras à
positons Le principe des explorations scintigraphiques est donc de déterminer,
et le plus souvent de visualiser sous forme d'images, la biodistribution
dans l'organisme d'un radiopharmaceutique préalablement injecté ou
administré par voie orale ou par voie locale. Pour cela, on a besoin d'un
système de détection de la radioactivité, capable de repérer la présence
des molécules marquées mais également de les localiser dans deux directions
(images planaires) ou mieux dans l'espace tridimensionnel (tomographie).
La possibilité d'obtenir une information significative par cette
méthode repose avant tout sur la notion de contraste, qui correspond à la
différence du nombre de « coups » détectés dans deux régions de l'image.
Cette notion de contraste recouvre celle de rapport signal/bruit qui permet
une appréciation quantitative de la qualité de l'image.
1. La détection des photons gamma : la gamma-caméra d'Anger (émission
monophotonique)
Le problème consiste à transformer l'énergie émise (photons ?) en une
forme mesurable et exploitable, c'est-à-dire, en pratique, en courant
électrique ; envisageons les étapes par lesquelles la technologie parvient
à résoudre ce problème :
- Pour détecter les rayonnements ?, il faut « arrêter » les photons,
c'est-à-dire absorber leur énergie ; ceci est possible par interaction avec
la matière en interposant un matériau adéquat sur le trajet des photons ?
que l'on veut détecter.
- L'énergie déposée dans ce matériau doit pouvoir être recueillie ;
elle ne doit pas être convertie de façon quelconque, par exemple en
chaleur, car on serait incapable de la mesurer. La solution est de
transformer l'énergie des photons ? en lumière, c'est-à-dire en nombreux
photons de moindre énergie (photons lumineux) ; ceci est possible en
utilisant comme matériau d'arrêt des photons ? un matériau scintillant ; on
entend par là un matériau dont les atomes, excités par interaction avec les
photons ?, retournent à leur état de repos par émission de lumière : on
parle de scintillateur solide.
Ceci fait beaucoup de contraintes, mais il se trouve que de tels
matériaux existent ; l'un d'eux offre des avantages qui font qu'il est de
loin le meilleur candidat actuellement pour la détection en Médecine
Nucléaire : il s'agit du cristal de iodure de sodium (NaI). Ce cristal est
l'élément fondamental de toute la chaîne de détection.
À ce stade, le problème devient relativement plus simple puisque, à la
différence des photons ? trop énergétiques, il existe une solution
technique pour convertir les photons lumineux en courant électrique, grâce
à un appareil appelé photomultiplicateur. Les signaux électriques qui
sortent du photomultiplicateur peuvent alors être traités par un système
électronique et l'information devient exploitable. L'électronique associée
est complexe et joue un rôle très important pour les étapes suivantes : en
effet une fois résolu le problème de la détection proprement dite, il faut
envisager la sélection de l'information, puis sa localisation uni-, bi- ou
tri-dimensionnelle.
a) La chaîne de détection
La chaîne de détection est décrite dans la figure 1. - Le cristal scintillant Comme nous l'avons déjà signalé, son rôle est essentiel : il est de
convertir l'énergie des photons ? en énergie lumineuse (c'est un
scintillateur solide). Il doit remplir plusieurs conditions : - avoir un bon « pouvoir d'arrêt » pour les photons ?, c'est-à-dire un
coefficient d'atténuation élevé, ce qui impose un poids atomique élevé
Figure 1 La chaîne de détection
- réémettre l'énergie absorbée sous forme de lumière (photons lumineux,
d'énergie beaucoup plus faible que les photons ?), ce qui définit un
scintillateur
- être transparent à sa propre lumière de réémission, afin que celle-ci
puisse s'échapper pour être exploitée
- pouvoir être usiné dans des dimensions suffisantes (champ actuel des
caméras de l'ordre de 50 cm x 40 cm)
- être suffisamment stable dans le temps
- avoir un coût compatible avec une production en série.
Le matériau qui, encore actuellement, réalise le meilleur compromis
entre toutes ces conditions, est le iodure de sodium (NaI) « dopé » au
thallium. Grâce au poids atomique de l'iode (A=127), le pouvoir absorbant
est satisfaisant jusqu'à 300 keV ; la lumière réémise l'est sous forme de
photons peu adaptés au rendement de la photocathode : c'est ce qui justifie
la présence d'impuretés de thallium. En effet, le thallium absorbe les
photons émis par le NaI et « réémet » une fraction constante sous forme de
photons ultra-violets de 3 eV (4150 Å) auxquels le cristal est transparent.
Il faut noter que le cristal réalise une multiplication photonique :
pour un photon ? déposé, il y a émission de très nombreux photons lumineux,
malgré une perte considérable : environ 40 photons par keV déposé dans le
cristal (rappelons qu'un photon du technétium 99m fait 140 keV). Environ
30 % de cette lumière est transmise à la chaîne de détection.
- Les photomultiplicateurs (PM) Leur rôle est de convertir l'énergie lumineuse qui sort du cristal en
signal électrique qui puisse être exploité dans des circuits électroniques.
Ceci est permis