Tomographie par émission de positons

1997/03/01 Campillo Robles, Jose Miguel - Fisika SailaZientzia eta Teknologia Fakultatea (EHU) | Urzelai Pinedo, Ainhoa Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Pour cela, nous expliquerons une technique nucléaire utilisée en médecine pour la recherche et l'étude: Tomographie par émission de positons (PIT), populairement connu comme Positron Emission Tomography. Cette technique a commencé à se développer en médecine en 1953, afin d'observer le fonctionnement du corps par des images. La base physique de la technique réside dans la physique des positrons, donc nous commencerons à étudier la physique du positron, puis clarifier les détails de la technique.

Qu'est-ce que le positron ?

Positron est l'antiparticule de l'électron. En tant qu'antiparticule, il contient de la charge et de l'énergie contre la particule correspondante. Ainsi, en ayant par définition une charge négative, le positron a une charge positive. Quant à la masse, le positron a la même masse au repos que l'électron. Le tableau 1 résume les caractéristiques du passage de l'électron et du positron.

Découverte du positron

Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984) réalisa la découverte théorique du positron en 1928. À cette époque, Dirac enquêtait sur l'équation quantique relativiste de l'électron, obtenant parmi ses résultats deux solutions pour la valeur de l'énergie, une positive et une négative:

où m ou et p sont la masse au repos et le moment linéaire de l'électron et c la vitesse de la lumière. Au début, il refait les calculs effectués, soupçonnant qu'ils étaient mal réalisés. Finalement, il s'est rendu compte qu'ils étaient bien et alors la solution de signe positif a été assignée à l'électron, mais on ne savait pas à quoi correspondait celle de signe négatif. Plus tard, les scientifiques ont réalisé que cette résolution était d'une nouvelle particule et la nouvelle particule trouvée a été appelée positron. La théorie des trous est celle développée par Dirac pour expliquer le système des électrons/positons. Pour connaître l'énergie au repos de ces deux particules, il faut utiliser l'équation précédente en obtenant les valeurs indiquées dans le tableau 1.

La première observation expérimentale fut réalisée par Carl David Anderson (1905-1991) en 1932. Cette observation a eu lieu dans le brouillard Wilson, situé dans un champ magnétique. Anderson a voulu analyser l'interaction entre les rayons cosmiques et la matière à travers cette caméra. Cependant, pendant l'observation du positron, il ne connaissait pas les travaux de Dirac. C'est pourquoi il ne savait pas ce qu'était cette particule qu'il a trouvée. Jusqu'en 1939, il n'a pas été démontré que les propriétés de la nouvelle particule observée expérimentalement étaient les mêmes que la théorie de Dirac prêché. Une fois clarifié, Anderson a donné son nom aux positrons. Cette découverte lui valut le Prix Nobel de physique en 1936, la première antiparticule positron observée.

En 1934, Irene Curie (1897-1956) et son mari, Jean Frédéric Joliot (1900-1958), trouvèrent leur premier positron en laboratoire. Les couples ont bombardé les noyaux légers avec des particules a et ont ensuite observé la b + désintégration dans les échantillons. En particulier, après le choc avec les particules Al, B et Mg, a, les éléments radioactifs artificiels P, N et Si ont été créés. Ainsi, par la découverte de la radioactivité artificielle, ces scientifiques ont obtenu le Prix Nobel de chimie en 1935.

Électron - e -	Positron - e+
Charge (C)	-1.60219x10 -19	+ 1.60219x10 -19
Énergie (keV)	+ 511	- 511
Masse (g)	9.1095x10 -28	9.1095x10 -28
Spin	1 de 2	1 de 2

Tableau . Caractéristiques de repos de l'électron et du positron.

Comment se produisent les positrons?

Notre Univers, au moins ce morceau connu, est formé principalement de matières. Par conséquent, comme il s'agit de positrons anti-matures, nous ne pouvons pas les trouver n'importe où. Cela étant, comment apparaissent-ils? Les positrons peuvent être produits par deux voies, l'une des radiations à haute énergie par la formation de paires e – /e + et l'autre par la désintégration b +. Pour avancer dans nos explications, nous analyserons ces deux voies.

La source de positron que nous analyserons en premier lieu est la formation de paires de particules/antiparticules. Ces couples proviennent d'un photon à haute énergie. Pour ce faire, l'énergie du photon doit être au moins supérieure à l'énergie du couple au repos. Cette affirmation est mathématiquement exprimée par la formule suivante.

où " La constante de Planck, la fréquence du photon n, m ou la masse au repos de la particule (antipart) et c la vitesse de la lumière.

La deuxième source de positons consiste en la désintégration b +. Les positrons utilisés dans la technique PIT sont générés par ce processus. b + nous utiliserons un exemple pour voir ce qu'est la désintégration. Supposons que nous ayons des atomes d'oxygène. Le noyau d'un atome d'oxygène a 8 protons et 10 neutrons (18O). Si nous bombardons les atomes que nous avons par protons (p+), le noyau d'un oxygène peut prendre un proton. Si cela se produit, l'atome sera un autre élément, le fluor, qui libérera un neutre (n).

18O + p + 18F + n

Cet isotope du fluor a 9 protons et 9 neutrons. Cependant, pour qu'un atome de fluor soit stable, il doit avoir 10 neutrons, soit 19 F. 18 Le noyau de F a un neutron moins, donc il n'est pas stable. Ainsi, pour parvenir à la stabilité, un proton du noyau deviendra neutron et dans ce processus un prositroi et un neutrino (n) seront émis, comme nous le voyons dans la formule suivante.

p + n + e + n

De cette façon, l'isotope du fluor se transforme en oxygène. Dans cet exemple, des protons ont été utilisés pour le bombardement, mais d'autres types de particules, comme les particules a ou le deutérium, peuvent être utilisés.

Comment disparaissent ?

Lorsque le positron est généré par b + désintégration a une grande énergie cinétique (autour de MeV). Le positron est accompagné d'un neutrino. Cela a très peu de masse (si vous avez de la masse, car il n'est pas actuellement connu) et n'a pas de charge. Par conséquent, l'interaction entre neutrino et matière est très petite et nous ne la prenons pas en compte.

Son énergie cinétique lorsque le positron est généré perd en raison du processus que nous appelons thermalisation, jusqu'à ce qu'il s'arrête. La longueur du parcours moyen que vous effectuez dépend surtout du matériau dans lequel vous vous trouvez. Par exemple, dans l'eau est d'environ millimètres; comme 75% du poids du corps des personnes est de l'eau, la longueur du parcours moyen d'un positron est aussi millimétrique dans le corps. Un autre facteur qui influence la longueur du parcours moyen est la nature de l'isotope utilisé. 18 Dans le cas de l'isotope F, la trajectoire moyenne est de 1,2 mm et dans le cas de 82 Rb est de 12,4 mm.

Après la thermalisation, le positron est prêt à être enlevé. L'élimination se produit lorsque le positron rencontre un électron. La théorie des trous de Dirac explique alors que l'électron baisse déjà le positron jusqu'au niveau d'énergie, libérant toute l'énergie du système en masse. En particulier, après la destruction de l'électron et du positron, deux photons apparaissent en faisant glisser toute l'énergie. Dans ce processus, il est également nécessaire de conserver l'énergie cinétique, donc dans l'énergie des deux photons il y aura les deux contributions précédentes. Si l'électron est supposé se tenir comme approximation, les photons sont de 511 keV, c'est-à-dire des photons gamma (g).

Dans l'élimination, en plus de l'énergie, il faut conserver le moment linéaire. Si nous continuons à supposer que l'électron est arrêté, le moment linéaire du système des deux photons qui sont générés après l'élimination sera également nul. Pour que cela soit possible, les photons se déplaceront dans la même direction et dans le sens inverse (voir figure 2).

Jusqu'à présent nous avons arrêté l'électron, mais ce n'est pas tout à fait vrai. Avant l'élimination, l'électron a l'énergie cinétique et son effet est que l'angle entre les trajectoires des photons n'est pas exactement 180° et son énergie s'éloigne légèrement de la valeur idéale 511 keV.

En quoi le PIT est-il utilisé ?

En médecine, nous sommes souvent intéressés à savoir où vont les substances dans le corps, comment elles arrivent aux organes ou combien de temps elles prennent pour arriver ou sortir. Dans de nombreux cas, il n'est pas facile d'obtenir cette information. Le PIT que nous avons analysé ici a été développé pour connaître toute cette technique. Le but de cette tomographie est de voir comment fonctionnent les processus chimiques et physiologiques qui se produisent dans notre corps. Autrement dit, avec le PIT, vous pouvez étudier le métabolisme ou de nombreuses fonctions du corps différents. Cette technique a été appliquée dans de nombreux domaines de la médecine, tels que la neurologie ou la cardiologie.

En quoi consiste le PIT ?

Pour commencer, on marque la substance que nous voulons suivre à travers le corps, en fixant les isotopes émetteurs de positrons à cette substance. Les marqueurs utilisés dans la technique PIT sont les molécules présentes dans le corps. Par conséquent, le comportement physico-chimique des substances marquées est égal à celui des substances non marquées.

Les marqueurs sont sélectionnés en fonction de la partie et la fonction du corps que nous voulons étudier et l'isotope qui est placé sur eux. Par exemple, si l'isotope 15 O (2,2 minutes de vie moyenne) adhère aux molécules d'eau, il peut être utilisé pour voir le transport du sang cérébral, mais si utilisé dans les molécules d'oxygène, il peut analyser l'utilisation de l'oxygène dans le métabolisme; de la même manière, l'isotope 18 F (durée de vie moyenne 110 minutes) est utilisé collé à la fluorovocale pour voir le métabolisme régional.

Lorsque la substance marquée se trouve à l'intérieur du malade, celui-ci est introduit dans des anneaux étoilés. La fonction de ces anneaux est la détection de photons. Les trajectoires des photons sont censées être de 180°. Par conséquent, en analysant les lieux d'arrivée des deux photons et la différence de temps qu'ils ont eu à leur arrivée, on peut savoir où l'élimination des électrons/positons a eu lieu. Comme l'élimination se produit “près” de l'isotope émetteur, nous aurons des informations sur la localisation de l'isotope, comme on peut le voir dans la figure 3.

Comme l'isotope se déplace dans le corps, les photons seront détectés à différents endroits, ce qui nous permettra de suivre le mouvement de la substance qui nous intéresse, en observant jusqu'où il arrive.

Les données obtenues sont traitées correctement et, finalement, une interprétation des résultats est réalisée en utilisant un logiciel préparé à cet effet. La figure 4 montre l'importance de la manipulation des données. Dans la figure ci-dessus, les mêmes données sont manipulées de différentes façons pour obtenir trois images apparemment différentes.

Avantages et problèmes

La technique PIT présente de nombreux avantages que les autres procédures n'ont pas. La plupart des maladies attaquent le corps biochimiquement avant de l'endommager. C'est pourquoi il est commode d'étudier la chimie du corps. La technique PIT peut effectuer des mesures quantitatives in vivo des processus fonctionnels du corps. De cette façon, vous pouvez compléter les informations fournies par d'autres techniques. Par exemple, l'IRM produit des images plus précises et est parfois utilisée avec les images de la technique PIT (voir figure 6)

Un autre avantage majeur est que les isotopes utilisés sont les éléments présents dans le corps. Et c'est que les substances qui peuvent être rares pour le corps ne sont pas utilisés et cela, bien sûr, au profit de notre corps. En outre, en raison de la sensibilité élevée de la technique, ces composés sont utilisés en très petites quantités (moins que le nanomolaire), de sorte que le métabolisme du patient ne varie pas.

D'autre part, la courte durée de vie des isotopes rend la recherche rapide et le patient reçoit de petites doses de rayonnement. Cette dose de rayonnement est similaire à celle qui doit être pris en charge dans la fabrication de deux plaques de rayons X sur la poitrine.

Avec les avantages, il faut mentionner les problèmes. L'une d'elles est la précision. Comme mentionné précédemment, l'angle entre les trajets des photons n'est pas exactement 180°. Cela réduit la précision, mais cependant, la plus grande erreur de générateur est le parcours du positron avant son élimination. Grâce à la technique, nous savons où l'élimination se produit, mais l'isotope se trouve à quelques millimètres de là.

Le dernier inconvénient que nous allons mentionner n'a pas de relation directe avec la science, mais il peut être important. Il faut parler du problème économique. Cette technique est très coûteuse, car les isotopes sont formés par un cyclotron. Le prix du cyclotron est très bas, donc la technique PIT n'est pas très répandue. Par exemple, Euskal Herria ne s'applique pas encore.

Enfin, il convient de noter que toutes les techniques utilisant le rayonnement sont dangereuses, de sorte que la technique PIT ne fait pas exception. Seulement quand cela est strictement nécessaire.

EN SAVOIR PLUS http://www.topo.ucl.ac.be http://laxmi.nuc.ucla.edu:8000/lpp Iñigo Alonso, “Particules de base”, XXI UEU. Cours d'été dispensé en 1993 à Pampelune (non publié) Département de physique de l'UEU, “Brève histoire de la physique”, Département de Heda 9, Université basque d'été, Pampelune, 1990.