Physique pour la médecine

...la théorie!

 

Médecine Nucléaire

Chapitre II:   Gamma-caméra.

 

II.A Généralités sur la gamma-caméra.

 

1)Premier aperçu.

 

La scintigraphie est une imagerie d'émission de photons durs, par opposition à la radiographie qui travaille en transmission. Une substance marquée par un isotope émetteur de rayons gammas ou de rayons X de réarrangement est injectée au patient et se distribue dans l'organisme selon les affinités biochimiques du traceur utilisé. La gamma-caméra est un appareil conçu pour détecter, de l'extérieur, la présence de cette radioactivité, en évaluer l'intensité et cartographier les zones émettrices, soit selon des plans de projection x-y, soit selon des coupes tomographiques reconstruites par calcul (technique SPECT, ou "Single Photon Emission Tomography"). L'autre système très largement utilisé dans le domaine est le PET-scan, basé quant à lui sur l'émission simultanée de deux photons provenant de l'émission radioactive d'un positron suivie d'une annihilation positron-électron (technique PET, pour "Positron Emission Tomography"). Le PET-scan fera l'objet du chapitre IV.

Historiquement, la première gamma-caméra était faite d'un détecteur simple muni d'un collimateur à trou unique et qui balayait mécaniquement la zone à explorer. L'acquisition d'une image complète était fort longue, compte tenu de cet aspect mécanique bien sûr mais aussi du fait que pour chaque position du détecteur il fallait attendre le temps nécessaire à l'obtention d'une bonne statistique de comptage.

 

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Le progrès décisif est venu de ce qu'il est convenu d'appeler la caméra d'Anger, capable d'assurer en une seule fois l'acquisition des données sur une large région et de se fier à l'électronique pour ce qui concerne leur localisation et leur traitement.

 

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2)La caméra d'Anger

 

Ce paragraphe décrit la caméra d'Anger dans ses grandes lignes. Le détail sera donné dans les chapitres qui suivent.

Une taille typique pour une tête de caméra d'Anger est de 50cm pour une forme circulaire, autrefois fort répandue, ou de 50cm x 60cm pour une version rectangulaire, aujourd'hui la plus fréquente. Une tête de caméra comporte avant tout un collimateur, le plus souvent une plaque de plomb de 2 à 3cm d'épaisseur environ percée d'un très grand nombre de trous, ou canaux, destinés à sélectionner les gammas incidents selon une direction précise. Il existe aussi le modèle "pinhole", cône de plomb muni d'un seul orifice et qui fonctionne plutôt sur le modèle photographique de la chambre noire, ainsi que cela sera décrit plus loin.

Derrière le collimateur se trouve un cristal scintillateur destiné à transformer les rayons gammas en photons lumineux. Il s'agit d'une plaque d'un seul tenant dont l'épaisseur typique est de l'ordre du centimètre. Il est couplé à une batterie de photomultiplicateurs (PMs) disposés en nid d'abeille de façon à couvrir toute la surface active. Il y parfois entre le scintillateur et les PMs une plaque de plexiglas qui sert uniquement de guide de lumière. Dans tous les cas, les surfaces de contact situées sur le trajet des photons sont unies par de la graisse optique qui élimine toute couche d'air et favorise la transparence du tout.

Les photomultiplicateurs transforment l'information lumineuse en signaux électriques. Les signaux reçus de différents PMs pour un événement unique sont pondérés pour calculer les coordonnées (x,y) de l'interaction et additionnés pour en évaluer l'énergie. L'image finale restitue la distribution (x,y) de l'ensemble des événements et montre pour chaque pixel l'intensité globale I reçue à cet endroit.

 

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Comme dans de nombreux domaines d'imagerie, on tend actuellement à s'orienter vers l'usage de détecteurs à semi-conducteurs, en l'occurrence à remplacer ici le scintillateur par un système à conversion directe gamma-signal électrique. De nombreux modèles ont déjà été proposés mais le scintillateur garde encore aujourd'hui un avantage compte tenu des surfaces de détection demandées, qui ne sont pas encore faciles à couvrir en matériaux semi-conducteurs.

La tête de gamma-caméra est tapissée sur les flancs et à l'arrière par des épaisseurs de plomb destinées à la protéger de tout rayonnement extérieur susceptible de générer des signaux parasites, en particulier le rayonnement cosmique qui à lui seul pourrait représenter une source de bruit non négligeable.

 

3)Tête simple ou têtes multiples

 

S'agissant de rendre possibles les scans de corps entier, la tête doit être dotée d'un mouvement de translation au long de la table du patient, à moins que ce ne soit la table qui soit prévue pour se mouvoir sous une tête fixe. La possibilité d'un léger déplacement radial permet de régler la distance du détecteur au patient. Par ailleurs, dans le plan transverse également, un mouvement de rotation est obligatoire en vue de reconstructions tomographiques de type SPECT, au moins sur 180°, idéalement sur 360°.

De nombreux constructeurs proposent des modèles à deux têtes identiques mais positionnées différemment par rapport au patient. Le premier avantage immédiat est l'acquisition plus rapide d'une statistique de comptage convenable, ce qui peut être mis à profit soit pour construire les images plus rapidement, soit pour limiter l'injection au patient et réduire d'autant la dose absorbée. Si les deux têtes sont placées à 45° ou à 90° l'une par rapport à l'autre, le système bénéficie en outre d'un effet stéréoscopique qui permet une meilleure localisation de l'activité (effet en temps réel, alors qu'une tête unique aurait à prendre son temps sur chacune des positions). Placées à 180° elles autorisent parfois des mesures de type PET puisqu'elles peuvent repérer des gammas émis simultanément en sens opposés.

 

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Il existe des modèles à trois têtes. Il en existe aussi de taille réduite, aux performances limitées mais mobiles et capables d'accéder au patient lorsque celui-ci ne peut être déplacé.

Une tête de gamma caméra standard contient beaucoup de plomb, celui du collimateur mais aussi celui du blindage qui tapisse les parois latérales et arrière. Le poids total est considérable et implique dès lors des systèmes de contrepoids imposants et une structure de support particulièrement solide et mécaniquement stable. Le local d'accueil se doit d'être à l'avenant… au niveau du sol en tout cas.