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Impact clinique de la technique du temps-de-vol en TEP
Médecine Nucléaire 35 (2011) 401–405
Article original
Impact clinique de la technique du temps-de-vol en TEP§ Clinical impact of time-of-flight PET M. Soussan *, J.-L. Galas, M.-J. Ouvrier, G. Pop, A. Neuman, P. Weinmann Service de médecine nucléaire, CHU Avicenne, université Paris 13, 125, rue de Stalingrad, 93000 Bobigny, France Reçu le 13 mai 2011 ; accepté le 14 mai 2011 Disponible sur Internet le 2 juillet 2011
Résumé La technique du temps-de-vol en tomographie d’émission de positons permet d’améliorer le rapport signal sur bruit des images avec un effet d’autant plus important que la résolution temporelle des détecteurs est meilleure. Plusieurs études récentes ont montré l’impact clinique de l’intégration de cette technologie. Le gain en rapport signal sur bruit et le meilleur contraste ont permis la réduction de l’activité injectée au patient, la diminution du temps d’acquisition, l’amélioration de la qualité des images en particulier chez les patients avec indice de masse corporelle élevé ainsi que l’augmentation de la détectabilité des petites lésions. # 2011 Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés. Mots clés : TEP ; Temps-de-vol
Abstract Time-of-flight PET improves the image quality by increasing signal-to-noise ratio. This improvement increases with time resolution. Recent data confirm the clinical benefits of time-of-flight PET. The signal-to-noise gain has led to a dose reduction, shorter scans, better image quality especially in patients with high Body Mass Index, and improvement in detection of smaller lesions. # 2011 Elsevier Masson SAS. All rights reserved. Keywords: PET; Time-of-flight
1. Introduction La tomographie d’émission de positons (TEP) a connu ces dernières années des avancées technologiques majeures telles que des nouveaux détecteurs plus sensibles et plus résolutifs, la possibilité d’acquérir les images en mode 3D, les méthodes de reconstruction itératives fully 3D et la combinaison des TEP avec un scanner multibarrette. Ces technologies ont permis d’améliorer la qualité de l’image fournie, de corréler les anomalies métaboliques à une étude anatomique précise et de diversifier ses champs d’application. La technique du temps-de-vol (time of flight [TOF]) a été introduite en 2005 en routine clinique [2]. Le temps-de-vol est
§ Article correspondant à la communication présentée lors de la Rencontre Apramen « Nouvelles caméras » du 17 décembre 2010. * Auteur correspondant. Adresse e-mail : [email protected] (M. Soussan).
la mesure de la différence du temps d’arrivée des deux photons détectés en coïncidence. Connaissant ce temps, il est possible de déterminer avec une certaine précision le lieu de l’annihilation le long de la ligne de réponse qui joint les détecteurs élémentaires. Cette mesure permet une localisation plus précise de la désintégration et améliore ainsi la qualité d’image en augmentant le rapport signal sur bruit. La mesure du temps de vol des photons est une idée ancienne suggérée par Anger dès 1966, mais ce n’est que dans les années 1980 que des prototypes intégrant ce type de mesure furent construits et testés, notamment dans l’imagerie cardiaque. L’idée fut rapidement abandonnée car à cette époque les scintillateurs et l’électronique de détection trop lente n’étaient pas adaptés à l’application de cette technologie. Les scintillateurs présentaient soit une densité et un rendement lumineux trop faibles (fluorure de baryum (BaF2)), soit une constante de décroissance trop longue (BGO, bismuth germanium). Dès le début des années 1990, l’amélioration des composants électroniques de la chaîne de détection,
0928-1258/$ – see front matter # 2011 Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés. doi:10.1016/j.mednuc.2011.05.005
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l’arrivée de nouveaux scintillateurs plus performants et de calculateurs plus rapides ont permis un regain d’intérêt de l’utilisation du temps de vol. La génération actuelle de scintillateurs (LSO, LYSO et LaBr3) présente une bonne résolution temporelle mais aussi une haute densité, une bonne résolution en énergie et un bon rendement lumineux. La résolution temporelle de ces détecteurs est de 500 à 600 ps pour les machines à usage clinique et 375 ps pour les machines dédiées à la recherche. Nous rappellerons d’abord les bases physiques de la technique du temps-de-vol, puis détaillerons l’impact clinique de cette technologie qui est désormais un standard chez les constructeurs. 2. Bases physiques 2.1. Principe du time of flight La notion clé du temps-de-vol est l’amélioration de la qualité d’image par une amélioration du rapport signal sur bruit (S/B). C’est le mode de détection des photons qui explique cet effet. En TEP, si deux photons sont détectés dans un intervalle de temps inférieur à 5–10 ns, ils sont considérés comme étant « en coïncidence » et issus de la même annihilation. La direction de propagation est déterminée à partir de la position des détecteurs ayant reçu ces deux photons : c’est la ligne de réponse. La différence du temps d’arrivée des deux photons sur les détecteurs permet d’estimer la position du lieu de l’annihilation sur la ligne de réponse, avec une résolution spatiale Dx égale à :
Dx ¼
c Dt 2
avec c = vitesse de la lumière et Dt la résolution temporelle du détecteur (Fig. 1). Le lieu de désintégration peut alors être localisé le long de la ligne de réponse avec une précision représentée par Dx, qui correspond à la largeur à mi-hauteur d’une courbe gaussienne représentant la fonction de probabilité de la localisation du site
de désintégration [3]. C’est la résolution temporelle Dt, c’est-àdire l’incertitude de la mesure de la différence temporelle, qui est le facteur limitant de Dx. Par exemple, pour obtenir une résolution spatiale de 1,5 mm, il faudrait une résolution temporelle de 10 ps. Les TEP actuels ont une résolution temporelle d’environ 500 ps qui correspond à une résolution spatiale Dx de 7,5 cm sur la ligne de réponse. 2.2. Conséquences Cette précision Dx est alors intégrée au niveau de l’algorithme de reconstruction permettant alors une amélioration du rapport S/B avec un gain qui peut être estimé par la formule suivante [4] : pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi S=BTOF /S=BnonTOF ¼ D=Dx Avec D le diamètre du patient et Dx la résolution spatiale définie plus haut. Le gain en S/B est donc proportionnel au diamètre du patient et inversement proportionnel à la résolution spatiale. Par exemple, pour une résolution temporelle de 600 ps et des diamètres D de 20, 27, et 35 cm, le gain en S/B est respectivement égal à 2,2, 3 et 3,9 [5]. Il a été également montré que le S/B est proportionnel à la racine carrée du noise equivalent count (NEC) rate, qui est la mesure des coups détectés corrigée du bruit. Ainsi un gain en S/B correspond aussi à un gain en coups détectés. Une image Temps-de-vol est donc l’équivalent d’une image non-temps-de-vol obtenue avec une amplification « virtuelle » du nombre de coups. Autrement dit, la reconstruction temps-de-vol permet d’augmenter « virtuellement » la sensibilité du TEP [6]. Le gain en S/B est ainsi encore plus important en cas de faible statistique de comptage et de lésion avec faible contraste [7]. L’amélioration du rapport S/B est aussi expliquée par une meilleure convergence au cours des itérations de l’algorithme de reconstruction. En effet, plus le nombre d’itérations est élevé, meilleure est la convergence (et la restitution du contraste) mais plus important est le bruit. Un compromis doit être trouvé entre la restitution du contraste et le bruit dans l’image. Des études sur fantômes et sur patients ont démontré que les reconstructions temps-de-vol convergeaient plus vite et avec un niveau de bruit moindre par rapport aux reconstructions non-temps-de-vol [5,7,8]. Enfin les reconstructions temps-de-vol sont moins sensibles aux erreurs de correction des événements aléatoires et diffusés et de l’atténuation [3]. 3. Bénéfices cliniques Plusieurs études récentes ont démontré un intérêt clinique de l’incorporation du temps-de-vol, en particulier en oncologie. 3.1. Augmentation du gain en S/B en cas d’indice de masse corporelle (IMC) élevé
Fig. 1. Principe du temps-de-vol. TOF Bases.
Les acquisitions TEP chez les patients avec IMC élevé contiennent plus de photons diffusés à cause d’une épaisseur d’atténuation plus importante. L’image est donc plus bruitée.
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3.2. Amélioration de la résolution spatiale et de la détection des petites lésions
Fig. 2. Contrastes mesurés sur fantôme en fonction des diamètres de sphères pour les trois reconstructions Osem temps-de-vol, 3D RAMLA, Osem Nontemps-de-vol, contraste 10 :1 entre sphères et bruits de fond (sphères chaudes [10,13,17,22] et sphères froides [22, 28]) [11]. Contrast as function of spheres diameter on phantom studies, using Osem timeof-flight, 3D RAMLA, and Osem non-time-of-flight algorithms. Contrast ratio of 10:1 between spheres and background. Hot spheres (10,13,17,22) and cold spheres (22,28) [10].
Comme le gain en S/B augmente avec le diamètre du patient, le temps-de-vol prend donc tout son intérêt chez ce type de patient. L’étude de Karp et al., réalisée sur une machine Philips Gemini TF, a étudié le rapport S/B chez cinq patients avec des IMC de 46 à 140 [5]. Les images reconstruites avec l’information temps-de-vol étaient visuellement de meilleure qualité. Parallèlement, le gain en S/B pour des petites lésions de 1 à 2 cm augmentait avec l’IMC du patient. Lois et al. ont comparé sur une large série de 100 patients d’oncologie avec des lésions inférieures à 2 cm des images temps-de-vol et non-temps-de-vol [8]. Le gain en S/B était significatif et augmentait avec l’IMC pour les lésions intra-abdominales (1,8 pour les IMC de 40), mais pas dans les lésions intrathoraciques où le bruit de fond est faible et le contraste déjà élevé. Cet avantage du temps-de-vol pour les IMC élevés a également été démontré dans deux autres séries récentes de 100 patients où le gain en S/B était supérieur chez les patients avec IMC élevé [7,9].
Une autre conséquence importante de l’incorporation du temps-de-vol dans les algorithmes de reconstruction est l’amélioration de la résolution spatiale. En effet, la diminution du bruit dans l’image et l’amélioration du contraste améliorent la détection de petites lésions [10]. Lois et al. ont étudié des fantômes comprenant des sphères de différentes tailles à faible contraste (2/1) en comparant des reconstructions temps-de-vol et non-temps-de-vol à différentes itérations [8]. Seules les reconstructions temps-de-vol permettaient la détection de la plus petite cible de 10 mm, et ce, dès la première itération. La sphère de 13 mm était clairement visible sur les reconstructions temps-de-vol mais seulement après un certain nombre d’itérations pour les reconstructions non-temps-de-vol. Une autre étude récente a étudié la détectabilité d’une sphère artificielle de 1 cm chez 100 patients (IMC de 16 à 45) en incorporant les données d’acquisitions de cette sphère aux données du patients en mode liste [7]. Le gain en S/B des acquisitions temps-de-vol par rapport au non-temps-de-vol était plus important pour les faibles contrastes. De plus, ce gain était plus marqué pour une lésion hépatique que pulmonaire du fait d’un bruit de fond plus important dans le foie que dans le poumon [7]. L’étude réalisée dans notre service conforte ces résultats montrant une amélioration nette du contraste sur fantômes non seulement pour des petites sphères inférieures à 2 cm (Fig. 2) mais également sur les patients (Fig. 3) [11]. 3.3. Réduction du temps d’acquisition et de l’activité injectée L’information temps-de-vol permet de maintenir une bonne qualité d’image à faible statistique de comptage [7,12]. Murray et al. ont récemment montré la possibilité de réduire les temps d’acquisition d’un TEP/TDM avec temps-de-vol [12]. Pour réduire la statistique de comptage, et par conséquent simuler
Fig. 3. Bilan initial d’un cancer pulmonaire. Les acquisitions temps-de-vol permettent de visualiser une fixation ganglionnaire infracentimétrique du médiastin, non visible sur les acquisitions non-temps-de-vol. Lung cancer staging. Reconstruction with and without time-of-flight information. Reconstruction with time-of-flight information show infracentimetric mediastinal lymph node uptake.
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Fig. 4. Résultats des différents contrastes mesurés des sphères du fantôme en faisant varier le temps de mesure par pas d’acquisition avec un contraste 10: 1. Algorithme OSEM temps-de-vol [11]. Contrast of phantom spheres as function of different scan times, using OSEM time-of-flight algorithm. Contrast ratio of 10:1 between spheres and background [10].
une diminution de l’activité injectée, des données d’acquisitions en mode liste sur fantômes et patients ont été scindées en plusieurs parties. Les acquisitions de deux minutes en tempsde-vol étaient comparées aux acquisitions de une minute, 30 s et 15 s. L’analyse de la fixation pour des lésions supérieures à 2 cm montrait une très bonne corrélation entre les Standardized Uptake Values (SUV) max et moyen mesurés à deux minutes et ceux aux temps plus courts. Des acquisitions très courtes, synonymes d’activité injectée diminuée, sont donc réalisables
pour une analyse quantitative sans biais significatif. Cette notion est particulièrement intéressante pour l’amélioration de la dosimétrie au cours du suivi des patients. Dans l’étude réalisée dans notre service (CHU Avicenne, TEP Philips Gemini TF, cristal LYSO, résolution temporelle 585 ps), Galas et al., ont montré sur des fantômes qu’il n’ y avait pas de différences significatives dans la mesure des contrastes en faisant varier les temps d’acquisition (deux minutes, 5,34 minutes et dix minutes) (Fig. 4) [11]. Cela a permis de valider dans notre service l’utilisation d’un temps de deux minutes par pas d’acquisition en routine clinique avec une activité injectée moyenne de 3 MBq/kg. L’information temps-de-vol permet donc de conserver une qualité d’image avec la possibilité de diminuer l’activité injectée sans modification de la durée d’examen. La dosimétrie pour le patient et le personnel est ainsi améliorée. Parallèlement, il est aussi possible de diminuer le temps d’examen à activité équivalente, ce qui permet un meilleur confort pour le patient, une diminution des artefacts dus aux mouvements, ainsi qu’une augmentation du nombre d’examens réalisés. 3.4. Amélioration globale de la qualité d’images L’analyse subjective visuelle des images est aussi améliorée comme l’ont montré Lois et al. [8]. Une analyse subjective de la qualité d’image de 100 patients par deux médecins nucléaires expérimentés a montré un avantage des images temps-de-vol
Fig. 5. Diminution nette de l’artefact « en banane » entre le poumon et foie alors qu’il persiste entre la rate et le poumon. Note the almost complete disappearance of the photopenic artifact above the liver and the spleen on the time-of-flight images.
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Fig. 6. Coupe axiale TEP sur le foie qui apparaît homogène en temps-de-vol alors que 3 artefacts nets simulant des fixations hépatiques anormales sont visibles sur les images non-temps-de-vol. Non-TOF images show three apparent liver lesions, which are not visible on TOF images.
concernant la résolution des détails, l’appréciation des petites lésions et l’uniformité des images [8]. L’étude réalisée dans notre service nous a fourni de nombreux exemples de réduction d’artéfacts, notamment l’artefact « en banane » entre le poumon et le foie ou la rate (Fig. 5). La fixation hépatique apparaît également plus homogène avec les reconstructions temps-de-vol (Fig. 6), ce qui permet d’éviter d’éventuels faux positifs. En conclusion, l’intégration de l’information temps-de-vol dans les reconstructions TEP entraîne des bénéfices cliniques importants. L’avantage principal est d’améliorer le rapport S/ B des images et cet effet est d’autant plus important que la résolution temporelle des détecteurs est meilleure. Des machines avec des résolutions temporelles de 375 ps (cristaux de LaBr3) donnent encore de meilleurs résultats en termes de restitution de contraste, d’uniformité d’image et de diminution du bruit par rapport à des résolutions temporelles de 650 ps [1]. En pratique quotidienne, le gain en S/B obtenu par le temps-de-vol a permis la réduction de l’activité injectée au patient, la diminution du temps d’acquisition, l’amélioration de la qualité des images des patients avec IMC élevé et enfin l’augmentation de la détectabilité des petites lésions. Déclaration d’intérêts Les auteurs déclarent ne pas avoir de conflits d’intérêts en relation avec cet article.
Références [1] Daube-Witherspoon ME, Surti S, Perkins A, Kyba CC, Wiener R, Werner ME, et al. The imaging performance of a LaBr3-based PET scanner. Phys Med Biol 2010;55:45–64. [2] Surti S, Kuhn A, Werner ME, Perkins AE, Kolthammer J, Karp JS. Performance of Philips Gemini TF PET/CT scanner with special consideration for its time-of-flight imaging capabilities. J Nucl Med 2007;48:471–80. [3] Conti M. State of the art and challenges of time-of-flight PET. Phys Med 2009;25:1–11. [4] Budinger TF. Time-of-flight positron emission tomography: status relative to conventional PET. J Nucl Med 1983;24:73–8. [5] Karp JS, Surti S, Daube-Witherspoon ME, Muehllehner G. Benefit of time-of-flight in PET: experimental and clinical results. J Nucl Med 2008;49:462–70. [6] Conti M. Focus on time-of-flight PET: the benefits of improved time resolution. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2011;38:1147–57. [7] El Fakhri G, Surti S, Trott CM, Scheuermann J, Karp JS. Improvement in lesion detection with whole-body oncologic time-of-flight PET. J Nucl Med 2011;52:347–53. [8] Lois C, Jakoby BW, Long MJ, Hubner KF, Barker DW, Casey ME, et al. An assessment of the impact of incorporating time-of-flight information into clinical PET/CT imaging. J Nucl Med 2010;51:237–45. [9] Surti S, Scheuermann J, El Fakhri G, Daube-Witherspoon ME, Lim R, Abi-Hatem N, et al. Impact of time-of-flight pet on whole-body oncologic studies: a human observer lesion detection and localization study. J Nucl Med 2011;52:712–9. [10] Kadrmas DJ, Casey ME, Conti M, Jakoby BW, Lois C, Townsend DW. Impact of time-of-flight on PET tumor detection. J Nucl Med 2009;50:1315–23. [11] Galas J. Apport du temps de vol en tomographie d’émission de positons chez les patients obèses en cancérologie. Mémoire de DES de médecine nucléaire. 2009. [12] Murray I, Kalemis A, Glennon J, Hasan S, Quraishi S, Beyer T, et al. Timeof-flight PET/CT using low-activity protocols: potential implications for cancer therapy monitoring. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2010;37:1643–53.
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Impact clinique de la technique du temps-de-vol en TEP§ Clinical impact of time-of-flight PET M. Soussan *, J.-L. Galas, M.-J. Ouvrier, G. Pop, A. Neuman, P. Weinmann Service de médecine nucléaire, CHU Avicenne, université Paris 13, 125, rue de Stalingrad, 93000 Bobigny, France Reçu le 13 mai 2011 ; accepté le 14 mai 2011 Disponible sur Internet le 2 juillet 2011
Résumé La technique du temps-de-vol en tomographie d’émission de positons permet d’améliorer le rapport signal sur bruit des images avec un effet d’autant plus important que la résolution temporelle des détecteurs est meilleure. Plusieurs études récentes ont montré l’impact clinique de l’intégration de cette technologie. Le gain en rapport signal sur bruit et le meilleur contraste ont permis la réduction de l’activité injectée au patient, la diminution du temps d’acquisition, l’amélioration de la qualité des images en particulier chez les patients avec indice de masse corporelle élevé ainsi que l’augmentation de la détectabilité des petites lésions. # 2011 Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés. Mots clés : TEP ; Temps-de-vol
Abstract Time-of-flight PET improves the image quality by increasing signal-to-noise ratio. This improvement increases with time resolution. Recent data confirm the clinical benefits of time-of-flight PET. The signal-to-noise gain has led to a dose reduction, shorter scans, better image quality especially in patients with high Body Mass Index, and improvement in detection of smaller lesions. # 2011 Elsevier Masson SAS. All rights reserved. Keywords: PET; Time-of-flight
1. Introduction La tomographie d’émission de positons (TEP) a connu ces dernières années des avancées technologiques majeures telles que des nouveaux détecteurs plus sensibles et plus résolutifs, la possibilité d’acquérir les images en mode 3D, les méthodes de reconstruction itératives fully 3D et la combinaison des TEP avec un scanner multibarrette. Ces technologies ont permis d’améliorer la qualité de l’image fournie, de corréler les anomalies métaboliques à une étude anatomique précise et de diversifier ses champs d’application. La technique du temps-de-vol (time of flight [TOF]) a été introduite en 2005 en routine clinique [2]. Le temps-de-vol est
§ Article correspondant à la communication présentée lors de la Rencontre Apramen « Nouvelles caméras » du 17 décembre 2010. * Auteur correspondant. Adresse e-mail : [email protected] (M. Soussan).
la mesure de la différence du temps d’arrivée des deux photons détectés en coïncidence. Connaissant ce temps, il est possible de déterminer avec une certaine précision le lieu de l’annihilation le long de la ligne de réponse qui joint les détecteurs élémentaires. Cette mesure permet une localisation plus précise de la désintégration et améliore ainsi la qualité d’image en augmentant le rapport signal sur bruit. La mesure du temps de vol des photons est une idée ancienne suggérée par Anger dès 1966, mais ce n’est que dans les années 1980 que des prototypes intégrant ce type de mesure furent construits et testés, notamment dans l’imagerie cardiaque. L’idée fut rapidement abandonnée car à cette époque les scintillateurs et l’électronique de détection trop lente n’étaient pas adaptés à l’application de cette technologie. Les scintillateurs présentaient soit une densité et un rendement lumineux trop faibles (fluorure de baryum (BaF2)), soit une constante de décroissance trop longue (BGO, bismuth germanium). Dès le début des années 1990, l’amélioration des composants électroniques de la chaîne de détection,
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l’arrivée de nouveaux scintillateurs plus performants et de calculateurs plus rapides ont permis un regain d’intérêt de l’utilisation du temps de vol. La génération actuelle de scintillateurs (LSO, LYSO et LaBr3) présente une bonne résolution temporelle mais aussi une haute densité, une bonne résolution en énergie et un bon rendement lumineux. La résolution temporelle de ces détecteurs est de 500 à 600 ps pour les machines à usage clinique et 375 ps pour les machines dédiées à la recherche. Nous rappellerons d’abord les bases physiques de la technique du temps-de-vol, puis détaillerons l’impact clinique de cette technologie qui est désormais un standard chez les constructeurs. 2. Bases physiques 2.1. Principe du time of flight La notion clé du temps-de-vol est l’amélioration de la qualité d’image par une amélioration du rapport signal sur bruit (S/B). C’est le mode de détection des photons qui explique cet effet. En TEP, si deux photons sont détectés dans un intervalle de temps inférieur à 5–10 ns, ils sont considérés comme étant « en coïncidence » et issus de la même annihilation. La direction de propagation est déterminée à partir de la position des détecteurs ayant reçu ces deux photons : c’est la ligne de réponse. La différence du temps d’arrivée des deux photons sur les détecteurs permet d’estimer la position du lieu de l’annihilation sur la ligne de réponse, avec une résolution spatiale Dx égale à :
Dx ¼
c Dt 2
avec c = vitesse de la lumière et Dt la résolution temporelle du détecteur (Fig. 1). Le lieu de désintégration peut alors être localisé le long de la ligne de réponse avec une précision représentée par Dx, qui correspond à la largeur à mi-hauteur d’une courbe gaussienne représentant la fonction de probabilité de la localisation du site
de désintégration [3]. C’est la résolution temporelle Dt, c’est-àdire l’incertitude de la mesure de la différence temporelle, qui est le facteur limitant de Dx. Par exemple, pour obtenir une résolution spatiale de 1,5 mm, il faudrait une résolution temporelle de 10 ps. Les TEP actuels ont une résolution temporelle d’environ 500 ps qui correspond à une résolution spatiale Dx de 7,5 cm sur la ligne de réponse. 2.2. Conséquences Cette précision Dx est alors intégrée au niveau de l’algorithme de reconstruction permettant alors une amélioration du rapport S/B avec un gain qui peut être estimé par la formule suivante [4] : pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi S=BTOF /S=BnonTOF ¼ D=Dx Avec D le diamètre du patient et Dx la résolution spatiale définie plus haut. Le gain en S/B est donc proportionnel au diamètre du patient et inversement proportionnel à la résolution spatiale. Par exemple, pour une résolution temporelle de 600 ps et des diamètres D de 20, 27, et 35 cm, le gain en S/B est respectivement égal à 2,2, 3 et 3,9 [5]. Il a été également montré que le S/B est proportionnel à la racine carrée du noise equivalent count (NEC) rate, qui est la mesure des coups détectés corrigée du bruit. Ainsi un gain en S/B correspond aussi à un gain en coups détectés. Une image Temps-de-vol est donc l’équivalent d’une image non-temps-de-vol obtenue avec une amplification « virtuelle » du nombre de coups. Autrement dit, la reconstruction temps-de-vol permet d’augmenter « virtuellement » la sensibilité du TEP [6]. Le gain en S/B est ainsi encore plus important en cas de faible statistique de comptage et de lésion avec faible contraste [7]. L’amélioration du rapport S/B est aussi expliquée par une meilleure convergence au cours des itérations de l’algorithme de reconstruction. En effet, plus le nombre d’itérations est élevé, meilleure est la convergence (et la restitution du contraste) mais plus important est le bruit. Un compromis doit être trouvé entre la restitution du contraste et le bruit dans l’image. Des études sur fantômes et sur patients ont démontré que les reconstructions temps-de-vol convergeaient plus vite et avec un niveau de bruit moindre par rapport aux reconstructions non-temps-de-vol [5,7,8]. Enfin les reconstructions temps-de-vol sont moins sensibles aux erreurs de correction des événements aléatoires et diffusés et de l’atténuation [3]. 3. Bénéfices cliniques Plusieurs études récentes ont démontré un intérêt clinique de l’incorporation du temps-de-vol, en particulier en oncologie. 3.1. Augmentation du gain en S/B en cas d’indice de masse corporelle (IMC) élevé
Fig. 1. Principe du temps-de-vol. TOF Bases.
Les acquisitions TEP chez les patients avec IMC élevé contiennent plus de photons diffusés à cause d’une épaisseur d’atténuation plus importante. L’image est donc plus bruitée.
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3.2. Amélioration de la résolution spatiale et de la détection des petites lésions
Fig. 2. Contrastes mesurés sur fantôme en fonction des diamètres de sphères pour les trois reconstructions Osem temps-de-vol, 3D RAMLA, Osem Nontemps-de-vol, contraste 10 :1 entre sphères et bruits de fond (sphères chaudes [10,13,17,22] et sphères froides [22, 28]) [11]. Contrast as function of spheres diameter on phantom studies, using Osem timeof-flight, 3D RAMLA, and Osem non-time-of-flight algorithms. Contrast ratio of 10:1 between spheres and background. Hot spheres (10,13,17,22) and cold spheres (22,28) [10].
Comme le gain en S/B augmente avec le diamètre du patient, le temps-de-vol prend donc tout son intérêt chez ce type de patient. L’étude de Karp et al., réalisée sur une machine Philips Gemini TF, a étudié le rapport S/B chez cinq patients avec des IMC de 46 à 140 [5]. Les images reconstruites avec l’information temps-de-vol étaient visuellement de meilleure qualité. Parallèlement, le gain en S/B pour des petites lésions de 1 à 2 cm augmentait avec l’IMC du patient. Lois et al. ont comparé sur une large série de 100 patients d’oncologie avec des lésions inférieures à 2 cm des images temps-de-vol et non-temps-de-vol [8]. Le gain en S/B était significatif et augmentait avec l’IMC pour les lésions intra-abdominales (1,8 pour les IMC de 40), mais pas dans les lésions intrathoraciques où le bruit de fond est faible et le contraste déjà élevé. Cet avantage du temps-de-vol pour les IMC élevés a également été démontré dans deux autres séries récentes de 100 patients où le gain en S/B était supérieur chez les patients avec IMC élevé [7,9].
Une autre conséquence importante de l’incorporation du temps-de-vol dans les algorithmes de reconstruction est l’amélioration de la résolution spatiale. En effet, la diminution du bruit dans l’image et l’amélioration du contraste améliorent la détection de petites lésions [10]. Lois et al. ont étudié des fantômes comprenant des sphères de différentes tailles à faible contraste (2/1) en comparant des reconstructions temps-de-vol et non-temps-de-vol à différentes itérations [8]. Seules les reconstructions temps-de-vol permettaient la détection de la plus petite cible de 10 mm, et ce, dès la première itération. La sphère de 13 mm était clairement visible sur les reconstructions temps-de-vol mais seulement après un certain nombre d’itérations pour les reconstructions non-temps-de-vol. Une autre étude récente a étudié la détectabilité d’une sphère artificielle de 1 cm chez 100 patients (IMC de 16 à 45) en incorporant les données d’acquisitions de cette sphère aux données du patients en mode liste [7]. Le gain en S/B des acquisitions temps-de-vol par rapport au non-temps-de-vol était plus important pour les faibles contrastes. De plus, ce gain était plus marqué pour une lésion hépatique que pulmonaire du fait d’un bruit de fond plus important dans le foie que dans le poumon [7]. L’étude réalisée dans notre service conforte ces résultats montrant une amélioration nette du contraste sur fantômes non seulement pour des petites sphères inférieures à 2 cm (Fig. 2) mais également sur les patients (Fig. 3) [11]. 3.3. Réduction du temps d’acquisition et de l’activité injectée L’information temps-de-vol permet de maintenir une bonne qualité d’image à faible statistique de comptage [7,12]. Murray et al. ont récemment montré la possibilité de réduire les temps d’acquisition d’un TEP/TDM avec temps-de-vol [12]. Pour réduire la statistique de comptage, et par conséquent simuler
Fig. 3. Bilan initial d’un cancer pulmonaire. Les acquisitions temps-de-vol permettent de visualiser une fixation ganglionnaire infracentimétrique du médiastin, non visible sur les acquisitions non-temps-de-vol. Lung cancer staging. Reconstruction with and without time-of-flight information. Reconstruction with time-of-flight information show infracentimetric mediastinal lymph node uptake.
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Fig. 4. Résultats des différents contrastes mesurés des sphères du fantôme en faisant varier le temps de mesure par pas d’acquisition avec un contraste 10: 1. Algorithme OSEM temps-de-vol [11]. Contrast of phantom spheres as function of different scan times, using OSEM time-of-flight algorithm. Contrast ratio of 10:1 between spheres and background [10].
une diminution de l’activité injectée, des données d’acquisitions en mode liste sur fantômes et patients ont été scindées en plusieurs parties. Les acquisitions de deux minutes en tempsde-vol étaient comparées aux acquisitions de une minute, 30 s et 15 s. L’analyse de la fixation pour des lésions supérieures à 2 cm montrait une très bonne corrélation entre les Standardized Uptake Values (SUV) max et moyen mesurés à deux minutes et ceux aux temps plus courts. Des acquisitions très courtes, synonymes d’activité injectée diminuée, sont donc réalisables
pour une analyse quantitative sans biais significatif. Cette notion est particulièrement intéressante pour l’amélioration de la dosimétrie au cours du suivi des patients. Dans l’étude réalisée dans notre service (CHU Avicenne, TEP Philips Gemini TF, cristal LYSO, résolution temporelle 585 ps), Galas et al., ont montré sur des fantômes qu’il n’ y avait pas de différences significatives dans la mesure des contrastes en faisant varier les temps d’acquisition (deux minutes, 5,34 minutes et dix minutes) (Fig. 4) [11]. Cela a permis de valider dans notre service l’utilisation d’un temps de deux minutes par pas d’acquisition en routine clinique avec une activité injectée moyenne de 3 MBq/kg. L’information temps-de-vol permet donc de conserver une qualité d’image avec la possibilité de diminuer l’activité injectée sans modification de la durée d’examen. La dosimétrie pour le patient et le personnel est ainsi améliorée. Parallèlement, il est aussi possible de diminuer le temps d’examen à activité équivalente, ce qui permet un meilleur confort pour le patient, une diminution des artefacts dus aux mouvements, ainsi qu’une augmentation du nombre d’examens réalisés. 3.4. Amélioration globale de la qualité d’images L’analyse subjective visuelle des images est aussi améliorée comme l’ont montré Lois et al. [8]. Une analyse subjective de la qualité d’image de 100 patients par deux médecins nucléaires expérimentés a montré un avantage des images temps-de-vol
Fig. 5. Diminution nette de l’artefact « en banane » entre le poumon et foie alors qu’il persiste entre la rate et le poumon. Note the almost complete disappearance of the photopenic artifact above the liver and the spleen on the time-of-flight images.
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Fig. 6. Coupe axiale TEP sur le foie qui apparaît homogène en temps-de-vol alors que 3 artefacts nets simulant des fixations hépatiques anormales sont visibles sur les images non-temps-de-vol. Non-TOF images show three apparent liver lesions, which are not visible on TOF images.
concernant la résolution des détails, l’appréciation des petites lésions et l’uniformité des images [8]. L’étude réalisée dans notre service nous a fourni de nombreux exemples de réduction d’artéfacts, notamment l’artefact « en banane » entre le poumon et le foie ou la rate (Fig. 5). La fixation hépatique apparaît également plus homogène avec les reconstructions temps-de-vol (Fig. 6), ce qui permet d’éviter d’éventuels faux positifs. En conclusion, l’intégration de l’information temps-de-vol dans les reconstructions TEP entraîne des bénéfices cliniques importants. L’avantage principal est d’améliorer le rapport S/ B des images et cet effet est d’autant plus important que la résolution temporelle des détecteurs est meilleure. Des machines avec des résolutions temporelles de 375 ps (cristaux de LaBr3) donnent encore de meilleurs résultats en termes de restitution de contraste, d’uniformité d’image et de diminution du bruit par rapport à des résolutions temporelles de 650 ps [1]. En pratique quotidienne, le gain en S/B obtenu par le temps-de-vol a permis la réduction de l’activité injectée au patient, la diminution du temps d’acquisition, l’amélioration de la qualité des images des patients avec IMC élevé et enfin l’augmentation de la détectabilité des petites lésions. Déclaration d’intérêts Les auteurs déclarent ne pas avoir de conflits d’intérêts en relation avec cet article.
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