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La gamma-caméra
La gamma-caméra est constituée d'une série de composants différents qui isolent, amplifient, détectent et affichent les intensités des photons gamma émis par les traceurs médicaux dans les tissus situés sous la caméra. Ses exigences sont très différentes de celles d'un appareil photographique. Alors qu'un appareil photo classique doit mesurer la longueur d'onde (couleur) et l'intensité de la lumière visible sur l'ensemble de l'image, il reçoit plusieurs milliers de photons par pixel pour recueillir ces informations. La caméra gamma n'a pas besoin de mesurer la longueur d'onde des photons, mais elle doit être extrêmement sensible et capable de détecter les arrivées individuelles de photons gamma.
La mesure de l'intensité du rayonnement gamma montre la concentration du produit radiopharmaceutique dans le tissu, ce qui indique comment le corps traite le composé et permet de diagnostiquer sa fonction. Ce type d'examen est connu sous le nom de scintigraphie. Les gamma-caméras sont utilisées à la fois comme scanner portable et comme détecteur dans les grands appareils de scintigraphie.
Pour comprendre le fonctionnement de la gamma-caméra, nous allons suivre chaque étapeduparcours d'un photon gamma, depuis le produit radiopharmaceutique dans le corps jusqu'à l'affichage d'une image sur l'ordinateur.
- Le radiopharmaceutique ou traceur médical est traité par le corps et se concentre à certains endroits, en fonction de la façon dont le corps transporte le composé. Des photons gamma sont émis par le traceur dans toutes les directions, l'intensité de l'émission étant proportionnelle à la concentration du produit radiopharmaceutique dans cette zone.
- Les photons qui se dirigent vers la gamma-caméra rencontrent d'abord le collimateur. Ce composant a pour fonction de nelaisser passer que les photons qui se déplacent parallèlement à l'axe de la caméra. Cela est nécessaire car la caméra ne produit qu'une image de la région située directement en dessous d'elle. Si les photons hors axe étaient autorisés à passer, il n'y aurait aucun moyen de déterminer leur origine, ce qui réduirait la précision de l'image. Le collimateur est constitué d'une grille en forme de nid d'abeille composée de minces tubes de plomb. Cela signifie que les photons qui se déplacent dans l'axe de l'appareil photo passeront à travers les tubes, tandis qu'un photon hors axe frappera le côté d'un tube et sera absorbé.
- Après avoir traversé le collimateur, les photons arrivent à la couche de scintillateur. Il s'agit d'un composant qui absorbe un seul photon gamma de haute énergie et émet des milliers de photons de lumière visible de plus faible énergie. La probabilité qu'un photon gamma interagisse avec le scintillateur pour produire cet effet est d'environ 1 sur 10, ce qui signifie que 90 % des photons gamma ne sont pas détectés par la caméra. Le scintillateur peut être fabriqué à partir de plusieurs matériaux, le plus courant étant l'iodure de sodium.
- Les photons de lumière visible émis par le scintillateur passent à travers un guide de lumière dans les tubes photo-multiplicateurs(PMT). La fonction de ces tubes est de convertir les photons de la lumière visible en une impulsion électrique proportionnelle à leur intensité. Nous verrons plus loin comment nous y parvenons. Les PMT sont disposés en une grille hexagonale, la sortie des impulsions électriques de chacun d'entre eux étant reliée à un ordinateur. Un logiciel traite les arrivées d'impulsions électriques pour calculer les positions d'impact des photons sur la couche de scintillateur. Ces positions d'impact sont ensuite utilisées pour produire une représentation de haute qualité des concentrations de traceurs médicaux dans le corps du patient.
Une différence essentielle entre les techniques d'imagerie par rayons X et l'image d'une gamma-caméra est que les rayons X sont utilisés pour voir l'anatomie du corps, tandis que la gamma-caméra est utilisée pour voir les fonctions et les processus du corps.
Tubes photomultiplicateurs
Les tubes photomultiplicateurs sont un élément essentiel de la gamma-caméra chargé de convertir les photons indiquant une collision de photons gamma en un signal électrique qui peut être traité par un ordinateur. Les tubes photomultiplicateurs ont pour fonction principale d'amplifier les signaux d'arrivée de photons uniques afin qu'ils puissent être détectés de manière fiable.
Un photon frappe une photocathode, qui absorbe le photon et n' éjecte qu' un "photoélectron". Les matériaux courants des photocathodes sont des films de métaux alcalins, notamment le bromure de potassium (KBr), l'iodure de césium (ScI) et le tellurure de rubidium (RbTe).
L'électron est accéléré vers la première dynode (électrode), qui est maintenue à un potentiel de +100V. L'électron est ainsi accéléré à une vitesse élevée et la collision avec le premier dynode produit en moyenne quatre électrons secondaires. Ceux-ci sont ensuite accélérés jusqu'à la deuxième dynode, maintenue à un potentiel plus élevé, qui, lors de l'impact, produit quatre autres électrons secondaires. Ce processus se répète à chaque dynode successive, le nombre d'électrons étant multiplié par quatre à chaque fois.
Pour le tube à 9 dynodes de la figure 2, un photon incident produit 262 144 électrons à l'anode.
\(4^9 = 262144\)
La collection d'électrons à l'anode traverse une résistance pour produire un signal d'impulsion de tension, qui indique la détection d'un photon.
Produits radiopharmaceutiques
La gamma-caméra permet de diagnostiquer les patients en observant la façon dont le corps traite les composés traceurs médicaux radiopharmaceutiques. Il s'agit de radio-isotopes combinés à une autre molécule, comme le glucose, que le corps transporte. Les sources émettant des rayons gamma sont idéales pour cette application car ce type de rayonnement est moins ionisant que les rayons alpha ou bêta, et les photons à haute énergie peuvent traverser le corps pour être détectés à l'extérieur. Il est également important de choisir un isotope dont la demi-vie est relativement courte, car cela garantit que la source est très active, ce qui signifie qu'il faut moins de temps, et que la substance se désintègre rapidement après la procédure, ce qui réduit la durée d'exposition pour le patient.
Un radioisotope couramment utilisé est le technétium 99m, qui émet un photon gamma avec une demi-vie de six heures et peut être utilisé pour obtenir des images des principaux organes du corps. Cet isotope est produit par la désintégration naturelle du molybdène 99. L'isotope Mo-99 a une demi-vie de 67 heures et se désintègre par émission bêta-moins pour former un noyau Tc-99m.
\(^{99}_{42}Mo \xrightarrow{67h} ^{99m}_{43}Tc + ^{0}_{-1}e + \bar{V_e} \xrightarrow{6.0h} ^{99}_{43} Tc + \gamma \xrightarrow {210 000 ans} ^{99}_{44} Ru + ^{0}_{-1}e+ \bar{V_e}\)
Le "m" dans Tc-99m indique un noyau "métastable", qui reste dans un état d'énergie plus élevé que le noyau stable plus longtemps que prévu. Le Tc-99m perd cette énergie en émettant un photon gamma d'une énergie d'exactement 140keV et d'une demi-vie de 6 heures. Dans son état stable de Tc-99, l'isotope a une demi-vie de 210 000 ans.
Un traceur médical à base de Tc-99m est le NaTcO4, un composé inorganique obtenu en combinant chimiquement le TC-99m avec du sodium et de l'oxygène. Ce composé est transporté vers le cerveau lorsqu'il est injecté dans le corps, ce qui permet d'utiliser une gamma-caméra pour observer comment le corps d'un patient amène les composés au cerveau.
D'autres types de scintigraphies qui peuvent être réalisées avec des produits radiopharmaceutiques au Tc-99m sont résumés ci-dessous.
Produit radiopharmaceutique | Application de la scintigraphie |
Pertechnétate de sodium ((NaTcO_4)\) | Cerveau (principalement thyroïde), glandes salivaires, vessie urinaire |
Méthyldiphosphonate de technétium-99m ((Tc -99m \space MDP)\) | Métastases osseuses, cancer |
Technetium tetrofosmin\((C_{36}H_{80}O_{10}P_{4}Tc)\) | Coeur |
Gamma-Caméra - Principaux enseignements
- Les techniques d'imagerie par radionucléides utilisent une gamma-caméra comme détecteur sensible pour visualiser l'intensité du rayonnement gamma émis par les tissus situés sous la caméra.
- Le collimateur permet de s'assurer que seuls les photons gamma voyageant parallèlement à l'axe de la caméra sont détectés. C'est important pour la précision car cela permet de connaître le lieu d'émission du photon.
- Le scintillateur et le guide de lumière convertissent un seul photon gamma en milliers de photons de lumière visible qui passent dans les PMT. Le scintillateur le plus courant est l'iodure de sodium.
- Les tubes photomultiplicateurs (PMT) amplifient le signal des photons de lumière visible en une impulsion électrique, qui peut être enregistrée par un ordinateur. L'emplacement de l'impact du photon sur le scintillateur peut alors être calculé à l'aide des signaux provenant du réseau de PMT.
- Les emplacements d'impact des photons sont traités pour produire une représentation des concentrations de produits radiopharmaceutiques dans le tissu situé sous la caméra.
- Le radio-isotope le plus couramment utilisé dans les traceurs médicaux est le technétium 99m, qui émet des rayons gamma avec une demi-vie de 6 heures.
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