Principe Gamma Camera

Détecter les gamma et reconstruire leur ligne de vol

L’émission d’un rayons gamma est un phénomène nucléaire. Le rôle de la tête de détection d’une gamma-caméra est d’amplifier ce minuscule phénomène sous la forme d’un signal électrique qui pourra être détecté. En exploitant un grand nombre de ces signaux électriques, on arrive à déterminer où se trouvent dans l’organe examiné les marqueurs radioactifs qui émettent ces rayons gamma.

La tête de détection d’une gamma-caméra comprend :
– Un collimateur
– Un cristal scintillateur
– Un réseau de photomultiplicateurs
– Une électronique de détection et de positionnement.

Le collimateur est une épaisse plaque de plomb ou de tungstène percée de canaux fins parallèles, placée devant le cristal scintillateur. Son rôle est de sélectionner les photons gamma dont la direction est parallèle aux canaux. Le plomb ou le tungstène arrête les photons gamma dont l’incidence est oblique par rapport à l’axe des canaux, pointé vers l’organe examiné. D’autres collimateurs sont aussi utilisés : un collimateur à trou d’aiguille (pinhole en anglais, appelé encore sténopé) pour les scintigraphies thyroïdiennes ou en éventail pour les scintigraphies cérébrales.

L’élément de détection dans une gamma-caméra est un grand cristal rectangulaire d’iodure de sodium dopé au thallium : NaI (Tl). Le cristal d’iodure de sodium a la propriété d’arrêter les photons gamma et de convertir une partie de l’énergie déposée en scintillations lumineuses détectées par une mosaïque de “photomultiplicateurs“.

L’épaisseur du scintillateur doit être suffisante pour arrêter les photons gamma. Pour réduire cette épaisseur à quelques centimètres, il faut qu’il soit dense et contienne des noyaux lourds. C’est l’iode qui joue ce rôle dans le cas de l’iodure de sodium. C’est un excellent scintillateur car il convertit l’énergie des gamma en un grand nombre de photons lumineux : environ 5000 dans le cas des gamma du technétium. Le défaut des cristaux d’iodure de sodium est d’être sensibles à l’humidité, ce qui impose qu’ils soient placés dans une enceinte étanche.

Derrière le cristal, chaque photomultiplicateur convertit les photons lumineux en signal électrique. En positionnant les photomultiplicateurs en réseau, on détermine la position et l’énergie du rayon gamma ayant interagi dans le cristal. Les photons gamma dont l’énergie diffère de celle du radionucléide, ne sont pas sélectionnés (fenêtre spectrométrique) et ne participent donc pas à la formation de l’image.

La qualité des images dépend et celle du diagnostic de la précision de la reconstruction des gamma. Les performances des gamma-caméras utilisées en scintigraphies et TEP devrait bénéficier des récents et très importants progrès des techniques de détection. La détection classique à partir de scintillateurs associés à des photomultiplicateurs pourrait être remplacée par des systèmes de détection beaucoup plus précis et sensibles.

Par exemple, des chercheurs du CEA ont proposé en 2015 un imageur gamma à base de semi-conducteurs CdZnTe (Cadmium-Zinc-Telluride) beaucoup plus précis dans la mesure de l’énergie et de la position des gamma. Ainsi la précision de la reconstruction des points d’impacts pourrait passer de 3 mm à 0,3 mm avec un imageur à base de semi-conducteurs.

Une sensibilité accrue diminue d’autant la quantité de radioisotope nécessaire, une précision accrue améliore la qualité des images et du diagnostic.

Modes d’acquisition : adapter la prise de données au diagnostic recherché

La gamma-caméra est positionnée par rapport au patient de façon à sélectionner les photons gamma en provenance de l’organe examiné. Le mode d’acquisition des données varie d’un type de scintigraphie à l’autre et en fonction du diagnostic recherché.

Les scintigraphies en mode planaire ne fournissent que des images planes des zones examinées comme dans le cas d’une scintigraphie thyroïdienne.

Le mode planaire ne permet d’explorer qu’une partie du corps correspondant au champ de vue de la gamma-caméra. En déplaçant linéairement et à vitesse constante le détecteur de la gamma-caméra, il est possible de réaliser une acquisition pour l’ensemble du corps. Ce mode est utilisé pour les scintigraphies osseuses “corps entier”.

En réalisant des acquisitions à des intervalles de temps constants, il est possible de mesurer l’activité du traceur dans l’organe exploré en fonction du temps. Ce type d’acquisition, appelé acquisition dynamique, est notamment utilisé pour l’étude de la perfusion rénale.

Pour les explorations cardiaques, une synchronisation par l’électrocardiogramme des images scintigraphiques est souvent réalisée afin de positionner dans le cycle cardiaque les images planaires ou tomographiques..

En faisant tourner les détecteurs de la gamma-caméra autour du patient, on peut acquérir des projections et reconstruire des coupes selon plusieurs axes et passant par l’organe étudié : c’est la tomographie par émission de simple photon.

La possibilité de passer de projections à deux dimensions à des reconstructions dans l’espace est due à un algorithme mathématique développé de façon indépendante par G.N. Hounsfield à Londres en 1963, et A.M. Cormack au Cap et à Boston en 1964. Cette découverte de la tomographie a valu le prix Nobel de Médecine en 1972 à Hounsfield et Cormack. Elle est aussi à l’origine du plus connu et du plus populaire des appareils modernes de diagnostics, le scanner X. L’obtention de ces images n’aurait pas été possible sans la révolution informatique.