Ces dernières années, l'État a fortement soutenu la configuration et la production d'équipements médicaux de grande taille et le développement de l'industrie des isotopes médicaux dans les établissements médicaux. La médecine nucléaire et les équipements d'imagerie en médecine nucléaire ont connu un essor rapide. Avec le développement de la médecine nucléaire et l'augmentation progressive des besoins cliniques, la capacité installée des équipements d'imagerie en médecine nucléaire, notamment la SPECT/CT, la TEP/CT et la TEP/IRM, a augmenté d'année en année, notamment en Chine. Parallèlement, grâce à l'amélioration continue des technologies d'imagerie en médecine nucléaire, des équipements plus avancés ont été mis en service clinique. De nouvelles technologies, telles que les détecteurs à semi-conducteurs au tellurure de cadmium-zinc, la SPECT/CT en anneau complet et l'imagerie TEP/CT corps entier à champ de vision long axial, ont progressivement mûri et ont été appliquées en pratique clinique, propulsant l'imagerie en médecine nucléaire vers de nouveaux sommets et contribuant à la médecine clinique de précision. Développement des équipements d'imagerie SPECT/CT
L'imagerie par tomographie d'émission monophotonique (SPECT) est l'équipement de base pour le diagnostic par imagerie fonctionnelle en médecine nucléaire. La recherche clinique actuelle en SPECT vise à améliorer la résolution spatiale et la sensibilité des équipements SPECT grâce à de nouvelles techniques.
Amélioration de la technologie de collimation des équipements SPECT
Le collimateur est un composant clé des équipements d'imagerie SPECT traditionnels. Sa fonction est de limiter la direction des rayons gamma incidents et de positionner l'image dans l'espace. Sa limitation des rayons est également appelée collimation mécanique. Les caractéristiques de la collimation mécanique compliquent la prise en compte des paramètres importants de l'imagerie SPECT, à savoir la résolution spatiale et la sensibilité, ce qui limite le développement des technologies des équipements SPECT. Les collimateurs traditionnels peuvent être classés en trous parallèles, trous d'épingle, trous divergents et trous convergents selon leur forme. Les recherches actuelles sur la collimation mécanique géométrique, en particulier celles sur les collimateurs multi-trous utilisant la technologie d'amplification multi-trous, sont devenues un axe de recherche important pour les équipements SPECT. Les collimateurs multi-sténostylos, associés à une haute résolution intrinsèque, présentent un fort potentiel pour les applications cliniques et conviennent à l'imagerie de petits organes et objets grâce à des détecteurs à grand champ de vision. Cette technologie a été appliquée à l'imagerie SPECT du cœur humain et des petits animaux. Le système SPECT le plus avancé pour petits animaux peut même atteindre une résolution spatiale de 0,25 mm. Par ailleurs, d'autres aspects des collimateurs mécaniques, tels que les collimateurs à fente et à lamelles et les collimateurs à ouverture codée, constituent un autre axe de recherche pour les dispositifs SPECT. L'amélioration des performances du dispositif par l'optimisation de sa structure géométrique est également un axe de recherche pour les dispositifs SPECT. Afin d'éliminer l'impact de la collimation mécanique sur la résolution et l'efficacité de détection des dispositifs SPECT, l'Université Tsinghua a proposé une technologie d'imagerie SPECT à auto-collimation (détecteur). L'objectif principal de cette technologie est de remplacer le collimateur traditionnel par un détecteur sensible distribué spatialement. Le réglage d'autocollimation permet au détecteur d'assurer la double fonction de collimation et de détection, sans nécessiter l'installation d'un collimateur, ce qui améliore l'efficacité de la détection.
Optimisation des détecteurs des appareils SPECT
Le détecteur traditionnel des appareils SPECT est principalement un détecteur à cristal scintillateur à iodure de sodium dopé au thallium [NaI(Tl)], dont le rendement de conversion photoélectrique et la résolution énergétique sont faibles. Ces dernières années, de nouveaux matériaux cristallins, tels que les cristaux de bromure de lanthane (LaBr3), d'orthosilicate de lutécium et d'yttrium (LYSO) et de grenat de gadolinium, d'aluminium et de gallium (GAGG), ont fait leur apparition dans les détecteurs à scintillation. Les cristaux GAGG présentent un rendement lumineux élevé, un pouvoir de blocage élevé, un temps de décroissance rapide, l'absence de rayonnement de fond et des caractéristiques non déliquescentes, ce qui en fait des cristaux scintillateurs très prisés pour les détecteurs des appareils SPECT. Outre les détecteurs à scintillation, les détecteurs au tellurure de cadmium et de zinc (CZT) ont été introduits en 1996. La technologie des détecteurs à semi-conducteurs, représentée par le CZT, a progressivement évolué et a été utilisée dans les équipements d'imagerie en médecine nucléaire, marquant ainsi une étape importante dans le développement des appareils de SPECT. Comparés aux SPECT traditionnels, les détecteurs CZT sont plus compacts, offrent une résolution énergétique plus élevée et sont plus légers. Ces dernières années, de nouvelles avancées ont été réalisées dans les applications des détecteurs à semi-conducteurs CZT, telles que la technologie de sonde à double énergie, la technologie de circuit intégré spécifique à l'application (ASIC), la technologie d'apprentissage profond et la technologie de compensation des pertes de charge. Leur utilisation est de plus en plus répandue dans divers domaines de la médecine nucléaire, et de nombreux dispositifs CZT-SPECT ont été utilisés avec succès dans les domaines du corps entier, des os et du cœur. Les dispositifs SPECT traditionnels sont généralement à double ou triple sonde, avec une faible sensibilité. Afin d'améliorer la sensibilité des dispositifs SPECT, la conception de systèmes SPECT annulaires, à anneau complet ou à anneau complet est devenue une nouvelle orientation de recherche et développement. Une avancée récente consiste à remplacer la sonde SPECT traditionnelle par une géométrie annulaire semi-fixe et multi-têtes, chaque tête se déplaçant indépendamment vers l'avant, l'arrière et la rotation afin de pouvoir faire face à l'objet et de réduire le nombre de composants du détecteur inutilisés. Un système SPECT à anneau complet à ouverture variable utilisant un CZT pixelisé et des modèles de collimateurs à blocs parallèles optimisés en énergie peut réduire le temps d'acquisition et améliorer la sensibilité. Un scanner SPECT à anneau complet CZT équipé d'un collimateur en tungstène à large énergie a également été conçu pour étendre la plage d'énergie à 250 keV, et la sensibilité prévue avec le 99mTc et le 177Lu est deux fois supérieure à celle du système SPECT de pointe actuel. Le système SPECT de pointe actuel est un système SPECT 3D à anneau complet basé sur le CZT, commercialisé par deux marques (StarGuide, GE Healthcare et Veriton, Spectrum Dynamics, Israël). Cependant, le coût de fabrication des matériaux CZT a toujours été le principal obstacle à la production de masse de cet équipement. De plus, Siemens, General Electric (GE) et d'autres entreprises ont proposé des conceptions de collimateurs ultra-minces, basées sur l'application éprouvée des collimateurs multi-trous et des collimateurs à fente-lamelle, pour l'imagerie haute résolution des organes. Cela permet de réduire encore la charge de la sonde. Parallèlement, face à l'impossibilité pour les systèmes SPECT classiques d'obtenir une imagerie optimale sur divers organes, divers systèmes SPECT spécifiques à certains organes ont été développés ces dernières années, tels que la technologie IQ SPECT pour l'imagerie de perfusion myocardique, la technologie d'imagerie SPECT mammaire par balayage et la technologie d'imagerie gamma spécifique au sein. Grâce aux progrès du matériel, de la correction physique, des algorithmes de reconstruction d'image et d'autres technologies, la technologie quantitative SPECT/CT s'améliore constamment, ouvrant une nouvelle ère pour les paramètres SUV SPECT, qui permettent de mesurer quantitativement le débit sanguin myocardique (MBF) et la réserve de débit sanguin coronaire (CFR), et de diagnostiquer et d'évaluer l'efficacité des maladies inflammatoires et tumorales osseuses. Parallèlement, l'intelligence artificielle (IA) est utilisée pour le débruitage et l'amélioration de la résolution des images SPECT, la génération et la correction des cartes d'atténuation, ainsi que la reconstruction d'images. Ces technologies devraient améliorer les méthodes d'imagerie SPECT quantitative et ainsi réduire la durée d'acquisition des patients.
Progrès des équipements TEP/TDM
Les équipements TEP/TDM comptent parmi les équipements d'imagerie moléculaire les plus avancés en imagerie médicale. Ils permettent d'obtenir simultanément des images fonctionnelles TEP et des images anatomiques TDM, et jouent un rôle important dans le diagnostic précoce des maladies, la stadification, l'évaluation de l'efficacité, l'évaluation pronostique et la recherche d'efficacité. Ces dernières années, la capacité installée des équipements TEP/TDM a connu une croissance rapide, tout comme le développement technologique. La technologie TEP entièrement numérique est devenue un axe de développement pour les futurs équipements TEP.
Progrès de la technologie des cristaux à scintillation TEP
La technologie des cristaux à scintillation TEP a progressé rapidement et évolue vers des cristaux présentant un temps de décroissance rapide, un rendement lumineux élevé, une densité élevée et une forte stabilité chimique. Les cristaux de scintillation utilisés au stade initial comprennent l'iodure de sodium (NaI), l'oxyde de germanate de bismuth (BGO) et l'orthosilicate de gadolinium (GSO). Les cristaux de scintillation actuellement utilisés comprennent l'orthosilicate de lutécium (LSO) et le silicate d'yttrium-lutécium (LYSO). Les performances du LSO et du LYSO sont comparables. Le cristal de scintillation LYSO est le matériau cristallin le plus répandu pour les systèmes TEP cliniques actuels. Il offre d'excellentes performances globales et une résolution temporelle élevée. Il a favorisé le développement de technologies avancées telles que le temps de vol (TOF) dans le domaine de la TEP, la réduction du bruit d'image et l'amélioration du rapport signal/bruit et de la qualité d'image. Ces dernières années, les cristaux LYSO:Ce (silicate d'yttrium-lutécium dopé au cérium) ont suscité l'intérêt des instituts de recherche nationaux et étrangers. Les performances de scintillation et la technologie de croissance ont été constamment améliorées. Les cristaux LYSO:Ce haute performance sont devenus les cristaux de scintillation les plus utilisés dans le domaine de la recherche sur les équipements TEP actuels. Progrès technologiques des petits blocs de cristal TEP
Le petit bloc de cristal est un composant important de la sonde TEP. Sa surface influence directement la résolution spatiale de la TEP. Plus sa surface est petite, plus la résolution spatiale de l'appareil est élevée. Grâce aux progrès technologiques, la surface des petits blocs de cristal utilisés en pratique clinique a été réduite, passant de 4,0 mm × 4,0 mm à 6,5 mm × 6,5 mm à un minimum de 2,35 mm × 2,35 mm.
Progrès technologiques des convertisseurs photoélectriques TEP
Le convertisseur photoélectrique du système TEP convertit le signal lumineux basse énergie émis par le cristal de scintillation en signal électrique. Avec le développement de la technologie électronique, le convertisseur photoélectrique a évolué du tube photomultiplicateur traditionnel (PMT) à la photodiode à avalanche (APD), puis au photomultiplicateur siliconé (SiPM) basé sur la technologie des semi-conducteurs. Parmi ces derniers, la photodiode à avalanche n'est présente que dans les premiers appareils TEP/IRM. Le SiPM présente les caractéristiques suivantes : gain élevé, haute résolution temporelle, faible tension de fonctionnement, haute efficacité de détection et insensibilité aux champs magnétiques. Il est devenu le premier choix pour les convertisseurs photoélectriques des produits PET courants actuels, notamment les dispositifs PET/IRM. Le procédé de fabrication du SiPM continue de s'améliorer. Des mesures telles que la miniaturisation des canaux et le traitement des signaux back-end du SiPM par ASIC ou FPGA ont poussé les performances du SiPM à leurs limites physiques et amélioré les performances globales du PET. Avec les progrès constants de la technologie de fabrication des semi-conducteurs, la logique numérique est intégrée au SiPM et le SiPM génère des signaux numériques, marquant l'avènement du SiPM numérique (dSiPM). Le dSiPM a propulsé la numérisation des informations de détection PET à un niveau supérieur. Cependant, le dSiPM en est encore à ses balbutiements et présente un fort potentiel de développement. Le seuil technique et le coût économique sont élevés, et la commercialisation à grande échelle n'a pas encore été atteinte. Seules quelques entreprises ont lancé le dSiPM, comme le système PET/CT Vereos, qui utilise la technologie dSiPM. Progression du module détecteur du système TEP
Le module détecteur du système TEP est un composant clé du système TEP. Selon le type de signal de sortie, il peut être divisé en détecteur analogique et détecteur numérique. Les détecteurs traditionnels sont généralement analogiques, principalement composés de cristaux de scintillation, de dispositifs de conversion photoélectrique et de blocs de traitement du signal analogique. Les détecteurs analogiques doivent convertir les signaux analogiques en signaux numériques avant de les introduire dans les opérations informatiques. Avec le développement des dispositifs de conversion photoélectrique et de la microélectronique, la conception de détecteurs numériques a été proposée. Les détecteurs numériques sont conçus avec des circuits intégrés, c'est-à-dire que les technologies ASIC ou FPGA sont utilisées à grande échelle pour produire des signaux numériques contenant des informations sur l'énergie des photons, la position et le temps. Actuellement, le degré de numérisation des détecteurs numériques varie, mais l'augmentation progressive du degré d'intégration et de numérisation devrait améliorer les performances globales du système TEP. Le système TEP/CT Siemens Biograph Vision, équipement d'imagerie de pointe, utilise un détecteur haute sensibilité et intègre un ASIC personnalisé pour optimiser la fonction TOF. La résolution temporelle TOF peut atteindre 214 ps.
Progrès dans la technologie du champ de vision axial
La taille du champ de vision axial est étroitement liée à la sensibilité de la TEP. Plus le champ de vision axial est grand, plus la sensibilité du système TEP est élevée. Actuellement, le champ de vision axial des équipements TEP/TDM commerciaux est généralement compris entre 15 et 35 cm. Ce champ de vision axial restreint l'efficacité de détection et la sensibilité du système TEP. Une simulation informatique montre que l'augmentation du champ de vision axial de 20 cm à 200 cm permet d'augmenter la sensibilité de 40 fois. Pour la TEP/TDM d'un seul organe pouvant être couvert, l'augmentation du champ de vision axial à 200 cm permet d'augmenter la sensibilité de 4 à 5 fois.
Progrès dans la technologie du temps de vol (TOF)
La technologie TOF détermine la localisation de l'annihilation en mesurant la différence de temps de vol entre deux photons d'annihilation atteignant le détecteur. Elle repose sur une nouvelle génération de cristaux et la conversion photoélectrique. Elle représente l'orientation de développement de la technologie TEP. Ces dernières années, la TEP avec fonction TOF a connu un développement rapide. Comparée à la TEP sans TOF, la TEP TOF présente un bruit plus faible, un contraste lésionnel plus élevé et une meilleure qualité d'image. L'accent étant mis sur la technologie TOF en clinique, la norme de contrôle qualité NEMA NU2-2018 a ajouté l'indicateur de résolution temporelle TOF et normalisé sa méthode de test. Les premiers scanners TEP ne disposaient pas de la technologie TOF. La première génération de scanners TEP-TOF utilisait des scintillateurs au fluorure de césium (CsF) ou au fluorure de baryum (BaF), qui permettaient d'atteindre une résolution temporelle TOF de 450 à 750 ps, mais l'efficacité de détection et le rendement lumineux du cristal étaient faibles. La deuxième génération de scanners TEP-TOF utilisait du silicate de lutécium dopé au cérium (LSO:Ce) et d'autres scintillateurs à base de lutécium (Lu), qui permettaient d'atteindre une résolution temporelle TOF de 450 à 600 ps, et offraient une sensibilité et une résolution spatiale supérieures. La troisième génération de systèmes TOF-PET est un système TOF-PET corps entier, doté d'une résolution temporelle de 200 à 382 ps et basé sur des tubes photomultiplicateurs en silicium (SiPM), et offrant une sensibilité considérablement améliorée. Le capteur photoélectrique du système TOF-PET a été mis à niveau, passant du PMT au SiPM, puis au dSiPM, ce qui a permis d'améliorer la résolution TOF, laquelle a favorisé le développement de technologies de reconstruction d'images. Les recherches récentes portent principalement sur les matériaux de détection, visant à trouver des matériaux différents des matériaux scintillateurs standard, mais offrant un processus d'émission de rayons plus rapide. Cependant, le rendement photonique des matériaux de recherche actuels pour les rayons γ de 511 keV est faible. Afin d'améliorer les performances des détecteurs TOF-PET, un nouveau concept de structure de détecteur est proposé : l'hétérostructure TOF-PET, qui combine des matériaux caractéristiques complémentaires dans des hétérostructures ou des scintillateurs supraconducteurs. Progrès dans la technologie de reconstruction d'images
Les méthodes traditionnelles de reconstruction des premières images TEP incluent la rétroprojection filtrée (FBP) pour la reconstruction 2D, la maximisation de l'espérance mathématique par maximum de vraisemblance (ML-EM) et la maximisation de l'espérance mathématique par sous-ensembles ordonnés (OSEM). La FBP est un algorithme analytique peu résistant au bruit. Ces deux derniers algorithmes de reconstruction sont des méthodes itératives, l'OSEM étant le plus couramment utilisé. Une légère amélioration de l'équation itérative de la ML-EM a permis d'améliorer la vitesse de reconstruction, mais le bruit est important. Par la suite, diverses corrections ont été apportées à l'algorithme OSEM pour générer le dernier algorithme bayésien de vraisemblance pénalisée (BPL). La reconstruction d'images TEP a ensuite adopté des algorithmes de reconstruction 3D, tels que la méthode de réorganisation de la reconstruction 3D, l'algorithme de reprojection 3D (3DRP) et l'algorithme de reconstruction itérative 3D. La reconstruction d'images 2D est rapide et efficace ; elle nécessite un volume de données important, génère des écarts spatiaux et requiert des ressources matérielles importantes. Avec les progrès de la technologie TEP, la technologie TOF, la reconstruction haute définition basée sur la fonction d'étalement de points (PSF) et la synchronisation respiratoire, etc., sont apparues pour la reconstruction d'images. Avec l'application de l'intelligence artificielle en imagerie médicale, la reconstruction d'images TEP basée sur l'apprentissage profond, comme la reconstruction de bout en bout et la reconstruction itérative basée sur la régularisation, est devenue un pôle de recherche majeur en imagerie TEP, et la plupart des équipements domestiques intègrent ces nouvelles technologies.
Progrès des équipements TEP/IRM
Les équipements TEP/IRM intègrent les avantages de la tomographie par émission de positons (TEP) et de l'imagerie par résonance magnétique (IRM), représentant le summum de la technologie d'imagerie médicale.
Progrès en conception structurelle
Avec le développement de matériaux de détection TEP compatibles avec le champ magnétique, la conception structurelle des équipements TEP/IRM a connu trois étapes de développement : la conception à deux salles de machines séparées, la conception à une seule salle de machines séparées et la conception TEP/IRM intégrée. Au cours des deux premières étapes, les données TEP et IRM étaient collectées séparément et l'équipement occupait une grande surface. Ce n'est qu'au stade de l'intégration des équipements TEP/IRM que la TEP et l'IRM ont permis d'obtenir une imagerie simultanée, cospatiale et synchrone. La structure des équipements TEP/IRM intégrés se divise en trois types : séparés, intégrés et enfichables. Actuellement, la plupart des équipements TEP/IRM cliniques courants sont de conception intégrée. Avec les progrès de la technologie TOF, un système TEP/IRM intégré avec fonction TOF a été lancé.
Progrès dans la structure matérielle
Premièrement, le développement de la technologie des détecteurs. Afin de résoudre le problème de compatibilité entre TEP et IRM, de nouveaux cristaux de scintillation tels que le silicate de lutécium (LSO) et le silicate de lutécium et d'yttrium (LYSO, LBS) sont promus en pratique clinique, ce qui améliore efficacement le problème de la sensibilité magnétique élevée des cristaux de scintillation traditionnels tels que le silicate de lutécium et de gadolinium, qui affecte l'uniformité du champ magnétique de l'IRM et produit des artéfacts. Deuxièmement, l'amélioration continue des dispositifs de conversion photoélectrique. Le premier dispositif de conversion photoélectrique TEP (PMT) était affecté par le champ magnétique et ne pouvait pas être utilisé dans le système TEP/IRM. Plus tard, la photodiode à avalanche (APD), insensible au champ magnétique, a été développée avec succès pour remplacer la PMT, et le premier appareil intégré TEP/IRM, Biograph mMR, est né. Cependant, l'APD présentait une faible résolution temporelle et ne pouvait pas utiliser la technologie TOF. Actuellement, le nouveau dispositif de conversion photoélectrique SiPM remplace progressivement l'APD. Compact, haute sensibilité et bonne résolution temporelle, le SiPM améliore les performances globales de la TEP et facilite le développement de systèmes TEP/IRM TOF intégrés. Le SiPM est sensible à la température. Grâce au développement de la technologie de l'espace température, ce problème a été résolu. De plus, la bobine de balayage par résonance magnétique a également progressé, passant des bobines orthogonales aux bobines de surface, puis aux bobines de surface à réseau phasé et, plus récemment, aux bobines de surface à réseau phasé intégrées, permettant ainsi l'IRM du corps entier, du sommet de la tête aux pieds. Parallèlement, l'antenne transparente intégrée est utilisée en TEP/IRM pour optimiser la qualité de l'image TEP.
Progrès dans la technologie de correction des données
La correction du mouvement permet de réduire l'apparition de petites lésions floues dues au mouvement, à un diagnostic erroné ou à des erreurs de positionnement des lésions. La TEP/IRM traditionnelle utilise la synchronisation respiratoire externe ou la surveillance ECG pour réduire les artéfacts de mouvement lors des examens TEP et IRM simultanés. La TEP/IRM TOF intégrée intègre une technologie de correction de l'atténuation IRM (MRAC) qui s'adapte au cycle respiratoire pour corriger les artéfacts de mouvement respiratoire et améliorer la qualité de l'image thoracique. La TEP/IRM intégrée la plus récente intègre également les informations de mouvement physiologique à l'acquisition de séquences IRM spéciales grâce à l'acquisition collaborative afin d'établir un modèle de mouvement physiologique pour guider la reconstruction TEP. Les principales méthodes de correction de l'atténuation comprennent la segmentation, la méthode de l'atlas et la reconstruction basée sur les données de transmission. Grâce aux progrès de la technologie d'atténuation, la méthode de séparation des cinq tissus et la méthode d'uniformité du champ magnétique améliorée par gradient ont vu le jour. Il existe également la correction de la diffusion, dont les méthodes de correction incluent la méthode de la fenêtre d'énergie, la méthode de convolution, la méthode du modèle physique et la méthode du modèle d'IA. L'application de la technologie TOF a considérablement amélioré la vitesse d'acquisition globale des images TEP/IRM intégrées. L'application de l'intelligence artificielle à l'acquisition et à la reconstruction d'images TEP/IRM a favorisé l'avancement de l'imagerie en médecine nucléaire et le développement de la médecine de précision.
