Physique de l’imagerie de perfusion myocardique (SPECT, PET) : Radiotraceurs, perfusion, flux sanguin et viabilité
SPECT et PET : Principes et Différences Fondamentales
- Dans la TEMP (tomographie par émission monophotonique, ou SPECT en anglais), les radiotraceurs émettent directement des photons gamma simples. Ces rayons gamma sont physiquement colmatés et détectés par des gamma-caméras rotatives pour créer des images tomographiques du ventricule gauche. Bien que largement disponible, la TEMP souffre d’une résolution spatiale limitée (environ 10 à 15 mm) et d’une sensibilité moindre aux photons par rapport à la TEP.
- En TEP (tomographie par émission de positons, ou PET), les radiotraceurs émettent des positons. Lorsqu’un positon émis parcourt une courte distance et entre en collision avec un électron, ils s’annihilent, produisant deux photons gamma de 511 keV émis à 180 degrés l’un de l’autre (détection de coïncidence). Les scanners TEP détectent ces paires de rayons gamma sans nécessiter de collimateurs physiques, ce qui permet de construire des images à haute résolution spatiale (4 à 7 mm) et temporelle. La TEP offre systématiquement une correction d’atténuation plus précise (souvent couplée au scanner CT), réduisant les artefacts et améliorant la spécificité diagnostique.
Quantification du flux sanguin et Réserve Coronaire à l’aide de la TEP
L’un des avantages majeurs de l’imagerie TEP est sa capacité dynamique. L’imagerie de perfusion TEP quantitative permet de mesurer avec précision le débit sanguin myocardique (MBF) en millilitres par minute et par gramme de tissu (ml/min/g). Cette quantification permet de calculer la réserve de débit coronaire (CFR), qui est le rapport entre le débit au pic du stress et le débit au repos (CFR = MBF stress / MBF repos). Une CFR inférieure à 2,0 est généralement considérée comme pathologique et pronostique d’événements cardiovasculaires majeurs.
Cette technique excelle dans la détection de l’ischémie équilibrée. Une telle ischémie, observée dans la maladie tri-tronculaire ou du tronc commun, existe lorsque toutes les artères coronaires sont également compromises. Cela entraîne une réduction uniforme de la perfusion qui peut sembler trompeusement normale sur la TEMP (qui analyse la perfusion relative, comparant les parois entre elles). La détection de la maladie multivasculaire nécessite la quantification du débit sanguin coronarien absolu. Cela est possible grâce aux scanners TEP, qui permettent également d’évaluer la dysfonction microvasculaire (CFR altérée en l’absence de sténose épicardique significative).
Pour qu’un radiotraceur soit adapté à la quantification du débit sanguin myocardique, son absorption par le myocarde doit être en étroite corrélation avec le débit sanguin réel. Un traceur idéal présente une forte extraction du sang vers les tissus et une forte rétention, avec une relation linéaire entre le débit sanguin myocardique et l’activité mesurée du traceur sur une large plage(Murthy et al.). Comme le montre la figure 1, l’eau-15O est le seul traceur dont l’absorption par le myocarde est linéairement liée au débit sanguin coronarien, même à des débits très élevés. L’eau-15O est un traceur idéal sur le plan physiologique, dont la demi-vie est très courte (2 minutes), n’entraînant qu’une exposition minimale aux radiations. Il est métaboliquement inerte et se diffuse librement à travers les membranes cellulaires. Cependant, sa demi-vie nécessite un cyclotron sur site, ce qui limite son utilisation clinique courante par rapport au Rubidium-82 ou au N-13 Ammoniac. Une seule session peut être utilisée pour réaliser les images de repos et de stress(Sogbein et al.).
Phénomène de roll-off (Phénomène de saturation)
Le phénomène de roll-off dans l’imagerie de perfusion myocardique, illustré dans la figure 1 ci-dessus, met en évidence la relation non linéaire entre la captation du traceur et le débit sanguin coronaire réel. Comme on l’a observé avec des traceurs TEMP tels que le technétium 99m et le thallium 201, la captation augmente de façon linéaire lorsque le débit coronaire est faible ou normal. Cependant, lorsque le débit continue d’augmenter (lors d’un stress pharmacologique puissant), la fraction d’extraction du traceur diminue et la captation atteint un plateau. Cet effet de saturation peut conduire à une sous-estimation du débit sanguin dans les régions saines par rapport aux régions sténosées, masquant ainsi le gradient réel de perfusion. Dans les cas de maladie coronarienne significative mais non occlusive, cela peut entraîner des résultats faussement négatifs ou une sous-estimation de l’étendue de l’ischémie.
Les radiotraceurs dans l’imagerie de perfusion myocardique
Les radiotraceurs sont conçus pour identifier les zones ischémiques du myocarde en mettant en évidence les régions où le flux sanguin est réduit relative au myocarde sain. Le choix du traceur dépend de la modalité (TEMP vs TEP), de la disponibilité de l’équipement (générateur vs cyclotron) et des caractéristiques du patient.
Radiotraceurs pour la TEMP
- Technétium 99m (Sestamibi ou Tétrofosmine) : Ce sont les traceurs les plus couramment utilisés aujourd’hui. Avec une demi-vie de six heures permettant des doses adaptées pour une bonne qualité d’image, ce traceur se diffuse passivement dans les cardiomyocytes et reste piégé dans les mitochondries, avec une redistribution minimale. Cela permet une acquisition des images différée après l’injection (par exemple 30 à 60 minutes après l’effort), offrant une flexibilité logistique. De plus, le marquage au Tc-99m permet une synchronisation à l’ECG (Gated-SPECT) pour évaluer la fraction d’éjection et la cinétique segmentaire.
- Thallium-201 : Il s’agit d’un analogue du potassium avec une demi-vie longue de 73 heures, qui pénètre dans les cardiomyocytes activement par la pompe Na+/K+ ATPase. Contrairement au Technétium, il subit une redistribution continue, ce qui le rend adapté à l’évaluation de la viabilité et du myocarde en hibernation. Une absence de captation initiale suivie d’une captation tardive (redistribution) indique une viabilité tissulaire. Cependant, son utilisation a diminué en raison d’une exposition plus importante aux radiations pour le patient et d’une qualité d’image inférieure due à l’énergie plus faible de ses photons.
Qu’est-ce que la redistribution myocardique ?
En imagerie de perfusion myocardique, la redistribution fait référence au mouvement dynamique d’un radiotraceur dans et hors du myocarde au fil du temps. Les radiotraceurs sans redistribution significative (comme le Sestamibi) conservent leur distribution initiale (« figée » au moment de l’injection), ce qui signifie que l’image reflète la perfusion au moment précis de l’administration. Les radiotraceurs avec redistribution (comme le Thallium) s’équilibrent progressivement ; ils peuvent « remplir » (wash-in) des zones ischémiques viables ou être « lavés » (wash-out) des zones saines plus rapidement. Ce phénomène est la clé de la détection de la viabilité myocardique en TEMP classique.
Tableau 1. Radiotraceurs utilisés pour l’imagerie SPECT
| Thallium-201 | Technétium-99m | |
|---|---|---|
| Dose de radiotraceur | 3-4 mCi 1 mCi supplémentaire pour le protocole de réinjection |
30 mCi au repos 10-30 mCi en cas d’imagerie au repos et à l’effort |
| Exposition au rayonnement | 12-16 mSv (Élevée) T1/2 = 73 heures |
8-10 mSv (Moyenne) T1/2 = 6 heures |
| Durée de l’étude | 4-5 heures (repos et redistribution) 24 heures si une imagerie supplémentaire est réalisée |
1-2 heures (protocole rapide) ou 2 jours |
| Informations fonctionnelles (Gating) | Non (qualité insuffisante) | Oui (FEVG, cinétique) |
| Redistribution | Oui – Nécessite une nouvelle imagerie pour évaluer la viabilité. | Non – La perfusion est fixée au moment de l’injection. |
| Qualité de l’image | Inférieure photons de ~70-80 keV Photons de faible énergie, atténuation importante |
Supérieure photons de 140 keV Idéal pour les gamma-caméras |
| Activité extracardiaque | Une prise fréquente des poumons peut réduire la qualité de l’image | La captation fréquente du foie et de l’intestin peut retarder l’acquisition ou provoquer des artefacts de reconstruction |
| Contre-indications | Aucune spécifique | Hypotension au repos Impossibilité d’administrer de la nitroglycérine (si utilisée pour le repos) |
| Fraction d’extraction | 85 % Thallium | 65 % Sestamibi 54 % Tétrofosmine |
| Élimination | Urinaire/GI | Hépatobiliaire (Sestamibi > Tétrofosmine) |
Traceurs pour l’imagerie TEP : Comparaison Clinique
Le choix du traceur TEP dépend largement de l’infrastructure locale. Le Rubidium-82 (82Rb) est le plus utilisé en clinique car il est produit par un générateur (strontium-82/rubidium-82) disponible sur place, similaire au générateur Mo/Tc, ne nécessitant pas de cyclotron. Cependant, sa très courte demi-vie (76 secondes) impose un stress pharmacologique (l’exercice physique n’est pas possible logistiquement) et son coût est élevé. L’Ammoniac marqué à l’azote-13 (13N-NH3) offre une excellente qualité d’image et une bonne rétention myocardique, mais nécessite un cyclotron à proximité immédiate en raison de sa demi-vie de 10 minutes.
Tableau 2. Radiotraceurs utilisés pour la quantification du flux sanguin myocardique par TEP
| 82Rb-chlorure | 13N-ammoniac | 15O-eau | 18F-flurpiridaz (En développement) | |
|---|---|---|---|---|
| Méthode de production des isotopes | Générateur (Sr-82/Rb-82) | Cyclotron | Cyclotron | Cyclotron |
| Demi-vie de l’isotope (min) | 1,27 | 10 | 2,0 | 110 |
| Portée des positons (mm) RMS | 2,6 (Résolution moy.) | 0,57 (Haute résolution) | 1,0 | 0,23 (Très haute résolution) |
| Résolution de l’image (mm) FWHM | 8 | 5 | 6 | 5 |
| Dose effective (mSv/GBq) | 1 | 2 | 1 | 2 |
| Propagation à partir des organes adjacents | Paroi de l’estomac (artefact possible) | Foie et poumon (souvent clair) | Foie (forte activité) | Début du foie |
| Dose de repos typique pour 3D/2D (mCi†) | 30/45 | 10/15 | 20/30 | 2/3 |
| Dose de stress typique pour 3D/2D (mCi†) | 30/45 | 10/15 | 20/30 | 6/7 |
| Caractéristiques du protocole | Protocole très rapide (<30 min); Stress pharmaco uniquement | Permet l’exercice ; délai nécessaire entre repos et effort | Protocole rapide ; pas de rétention de traceur (images de flux pur) | Autorise l’exercice ; logistique simplifiée par longue demi-vie |
TEP au 18F-Fluorodéoxyglucose (18F-FDG) : Viabilité et Inflammation
La TEP au 18F-Fluorodéoxyglucose (18F-FDG) est l’étalon-or pour évaluer la viabilité du myocarde et l’inflammation cardiaque. Le FDG est un analogue du glucose qui est activement transporté dans les cellules.
Évaluation de la Viabilité Myocardique
Dans le contexte de l’insuffisance cardiaque ischémique, le 18F-FDG est utilisé pour identifier le myocarde hibernant. Le myocarde ischémique change son métabolisme préférentiel des acides gras vers le glucose (métabolisme anaérobie). La viabilité est diagnostiquée par l’identification d’une discordance perfusion-métabolisme (« Mismatch ») :
- Mismatch (Discordance) : Perfusion réduite (sur l’image N-13 ou Rb-82) mais captation de FDG préservée ou augmentée. Cela indique un tissu vivant mais en souffrance, susceptible de récupérer après revascularisation.
- Match (Concordance) : Perfusion réduite et captation de FDG absente. Cela indique une cicatrice (fibrose transmurale), où la revascularisation n’apportera pas de bénéfice fonctionnel.
Pour cette indication, le patient doit être préparé par une charge en glucose (souvent associée à de l’insuline) pour stimuler la captation myocardique du FDG (« Clamp euglycémique hyperinsulinémique »).
Sarcoïdose Cardiaque et Infection
La TEP au 18F-FDG est également utilisée pour diagnostiquer la sarcoïdose cardiaque active ou les infections de dispositifs (endocardite sur sonde). Contrairement à l’étude de viabilité, l’objectif est ici de supprimer la captation physiologique du glucose par les cardiomyocytes sains pour ne visualiser que les cellules inflammatoires (macrophages) qui consomment avidement le glucose. Cela nécessite une préparation stricte : régime cétogène (riche en graisses, sans glucides) et jeûne prolongé avant l’examen.
Phénomène de vol coronaire
Lors des épreuves de stress pharmacologique (utilisées obligatoirement avec le Rb-82 et souvent en TEMP), les agents vasodilatateurs (adénosine, dipyridamole, régadénoson) peuvent provoquer un phénomène de vol coronaire. Ce phénomène se produit lorsque le sang est redirigé (« volé ») d’une région alimentée par une artère sténosée vers une région saine mieux irriguée. Les artérioles distales des zones sténosées sont déjà dilatées au maximum au repos pour maintenir le débit (autorégulation). Lors de l’administration du vasodilatateur, seules les artérioles saines se dilatent davantage, diminuant la résistance dans le lit vasculaire sain et détournant le flux. Cette redistribution peut exacerber l’ischémie fonctionnelle et provoquer des changements électriques (sous-décalage du segment ST) ou des symptômes, bien que cela augmente la sensibilité du test pour détecter les sténoses.
Distribution inversée (Reverse Redistribution)
La redistribution inverse fait référence à un phénomène paradoxal dans lequel un défaut de perfusion observé pendant l’imagerie de stress semble s’aggraver ou apparaître de nouveau sur les images de repos. Ce schéma est parfois observé avec le technétium-99m sestamibi. Bien que certaines études anciennes aient suggéré un lien avec un infarctus non transmural ou une perméabilité post-angioplastie, il est aujourd’hui majoritairement considéré comme un artefact plutôt que d’une indication de pathologie ischémique active.
La redistribution inverse est plus fréquente chez les patients obèses (affectant souvent le territoire de l’artère coronaire droite par atténuation diaphragmatique) et chez les femmes à forte poitrine (typiquement dans le territoire de l’artère interventriculaire antérieure par atténuation mammaire). Elle n’a pas de corrélation directe solide avec une maladie coronarienne obstructive et est généralement considérée comme un artefact bénin ou lié à des différences techniques entre les acquisitions de stress et de repos.
Implications Cliniques : Choisir entre TEMP et TEP
Le choix entre TEMP et TEP dépend de la disponibilité, mais la TEP est cliniquement supérieure dans plusieurs scénarios clés :
- Patients obèses : La TEP offre une meilleure pénétration et moins d’artefacts d’atténuation des tissus mous.
- Maladie multivasculaire suspectée : La capacité de la TEP à quantifier le flux absolu permet de démasquer l’ischémie équilibrée.
- Résultats équivoques en TEMP : La TEP sert souvent d’examen de recours pour clarifier des images TEMP douteuses.
- Exposition aux radiations : Les protocoles TEP (en particulier avec le Rb-82 ou le N-13) exposent généralement le patient à moins de radiations (2-3 mSv) que les protocoles TEMP complets repos/stress (10-12 mSv), un facteur important pour les patients jeunes ou nécessitant des examens répétés.