La médecine nucléaire comprend l'ensemble des applications médicales de la radioactivité en médecine.
Administrativement on parle de l'utilisation de sources radioactives non scellées.
On administre au patient (par injection intraveineuse, ingestion, inhalation...) des médicaments radiopharmaceutiques (MRP) ; ceux-ci peuvent être des radionucléides isolés (comme l'iode 123 pour la glande thyroïde) ou être constitués d'un vecteur et d'un radionucléide. Une molécule « vectrice » qui fait partie du métabolisme humain va être attirée vers un organe cible ou tracer une fonction de l'organisme. Le radionucléide-traceur rattaché émet des rayonnements ionisants qui peuvent être détectés (imagerie ou scintigraphie) ou servir à détruire des cellules (radiothérapie interne vectorisée). Cette méthode est très sensible et permet des diagnostics ou des traitements. Celle-ci vient souvent en complément d’une radio, échographie ou imagerie par résonance magnétique (IRM).
Les différents domaines d'application sont : l'imagerie fonctionnelle in vivo, qui consiste en l'administration d'un traceur radioactif au patient permettant sa détection externe. Ce sont les scintigraphies (émission de rayonnements gamma) ou les tomographies par émission de positons (TEP) ; la radiothérapie métabolique qui traite des maladies bénignes (hyperthyroïdie, polyglobulie de Vaquez...) ou des maladies malignes (cancers thyroïdiens, métastases de cancer de la prostate...) ; le diagnostic biologique in vitro : la radio-immunologie.
La médecine nucléaire est une spécialité médicale complète à la fois diagnostique (in vivo et in vitro) et thérapeutique. Le terme « théranostique » (ou « théragnostique ») désigne la combinaison du diagnostic et de la thérapie (traitement) d'une maladie au sein d'une même intervention ou technique médicale.
Histoire La découverte en 1934 par Frédéric et Irène Joliot-Curie des isotopes radioactifs (radionucléides) produits artificiellement marque l’émergence de cette nouvelle discipline médicale.
Les premières applications des radio-isotopes ont été thérapeutiques. En 1936, le phosphore 32 est utilisé dans le but de traiter une leucémie. En 1938, John Livingood et Glenn Seaborg réussissent à mettre au point la production d’iode 131. En 1941 de l’iode radioactif est administré à des patients souffrant d’hyperthyroïdie.
En 1946, Samuel Seidlin, Leonidas Marinelli et Eleanor Oshry montrent que l’ensemble des métastases d’un patient atteint d’un cancer de la thyroïde peuvent être détruites à la suite d'un traitement à l’iode 131. Ce traitement reste aujourd’hui encore la méthode la plus efficace dans ce cas de cancer.
La première gamma caméra est développée en 1957 par Hal Anger et permet de mesurer la radioactivité de toute une surface en une fois.
En 1963 Henri Wagner réalise les premières images pulmonaires en utilisant des agrégats d’albumine radiomarqués. En 1978, David Goldenberg utilise des anticorps marqués pour l’imagerie de tumeurs chez l’homme. La scintigraphie émerge en 1962 sous l’impulsion de David Kuhl.
En 1971, la médecine nucléaire est reconnue comme une spécialité médicale par l’American Medical Association..
Actuellement en France la médecine nucléaire est une spécialité médicale reconnue.
Diagnostic
Principe général
En médecine nucléaire le patient reçoit un radiopharmaceutique par voie intraveineuse, par voie orale, ou par inhalation suivant l'examen ou la thérapie à réaliser.
En scintigraphie (imagerie de médecine nucléaire), les images (pour le diagnostic) sont réalisées à l'aide de détecteurs externes (les gamma-caméras) qui sont des détecteurs proportionnels des rayonnements ionisants (émetteurs de photons) et permettent la réalisation d'image mais aussi des quantifications. Ce procédé est différent du diagnostic par rayons X, où le rayonnement est externe et traverse le corps pour former une image. L'imagerie nucléaire permet d’observer une fonction de l'organisme alors que la radiologie (et notamment le scanner X) fournit des informations sur la structure. Il s'agit d'une imagerie fonctionnelle, par opposition à l'imagerie anatomique.
Actuellement on couple de plus en plus des gamma-caméras avec des scanners ou des IRM permettant la réalisation d'images de fusion donnant en un seul examen l'information structurelle et l'information physiologique ou métabolique.
On peut ainsi explorer la plupart des métabolismes : hépato-biliaire, thyroïdien, ventilation et perfusion pulmonaire, structure et fonctionnement du rein et de l'arbre urinaire, métabolisme osseux (recherche de fractures, métastases, algoneurodystrophie), métabolisme du cerveau, du tube digestif (notamment la vidange gastrique), fonction ventriculaire gauche, fonction du tissu myocardique du ventricule gauche... L'apport récent des scintigraphies par émetteurs de positons a encore accru les possibilités diagnostiques.
La médecine nucléaire se prête à la quantification. En effet le résultat de la mesure de la radioactivité lors d'un examen est proportionnel au volume ou à l'activité fonctionnelle.
Certaines techniques permettent une reconstruction dynamique (mouvement) par superposition d'images prises à des temps différents (cœur, rein).
Deux techniques de scintigraphie sont actuellement utilisées, la tomographie par émission monophotonique (TEMP) et la tomographie par émission de positons (TEP).
Elles n'ont cependant pas fait totalement disparaître les scintigraphie planaires, dynamiques.
La scintigraphie
Le principe de la scintigraphie, consiste en l'administration au patient d'une très petite quantité de radiopharmaceutique. Les rayonnements photoniques émis par le radiopharmaceutique, concentrés dans un organe ou tracés dans une fonction sont détectés par une gamma caméra. En scintigraphie, on utilise des radiopharmaceutiques contenant un radio-isotope émetteur de rayons gamma.
Une fois fixé sur la partie ciblée, le radiopharmaceutique émet les rayons gamma qui sont détectés par une caméra à scintillation communément appelé gamma caméra. Ces informations sont ensuite traitées par ordinateur à l’aide d’un algorithme de reconstruction afin d'obtenir l’image 2D ou 3D de la partie du corps ciblée.
On distingue notamment les explorations suivantes : la scintigraphie myocardique permet d’étudier la perfusion du myocarde, c'est-à-dire le flux sanguin arrivant dans le muscle cardiaque, notamment du ventricule gauche (permettant le diagnostic d'angor ou de séquelles d'infarctus du myocarde) ; la scintigraphie des cavités cardiaques qui permet de mesurer la fraction d'éjection ventriculaire (notamment gauche) paramètre important dans le suivi de certains traitements chimiothérapeutiques cardiotoxiques ; la scintigraphie pulmonaire permet d'imager les fonctions de ventilation et perfusion du poumon, afin de diagnostiquer une embolie pulmonaire. C'est actuellement la méthode de référence de ce diagnostic en particulier chez la femme enceinte ; la scintigraphie osseuse permet de visualiser l'augmentation du renouvellement osseux. Elle est indiquée dans les recherches de fractures (syndrome de Silverman ou des enfants battus, fractures passées inaperçues à la radiographie...), de neuro-algo-dystrophie ou la recherche en un seul examen de métastases osseuses des cancers ostéophiles (sein, rein, thyroïde, prostate, poumon) ; la scintigraphie rénale dynamique permet d’étudier la captation et l'évacuation par les reins d'un traceur. La scintigraphie au DMSA permet de visualiser les séquelles ou cicatrices post infection ; la scintigraphie cérébrale permet d’analyser la distribution d’une perfusion dans le cerveau. Or dans certaines maladies dégénératives (Alzheimer, démences fronto-temporales) , les anomalies de perfusion intéressent des zones précises du cerveau, ce qui permet d'orienter le diagnostic. On peut utiliser aussi la scintigraphie au Datscan pour faire le diagnostic dans les syndromes Parkinsonniens ; la scintigraphie thyroïdienne est aussi utilisée pour distinguer les différentes formes d'hyperthyroïdies (maladie de Basedow, goitre basedowifié, nodules chauds, nodules toxiques...) ; la scintigraphie digestive est réalisée pour apprécier la vidange gastrique (notamment dans le bilan du diabète) ; la scintigraphie hépatobiliaire est réalisée pour étudier le transit biliaire.
Il existe d'autres scintigraphies possibles (lymphatiques, certains cancers neuro-endocrines...)
La TEMP
La tomographie d’émission monophotonique (TEMP) est une technique d’imagerie fonctionnelle basée sur la scintigraphie. La gamma caméra effectue une rotation de 180 ou autour du patient pour capter des images. À l’aide d'un algorithme de reconstruction, l’ordinateur reconstruit les images de la distribution à trois dimensions des radionucléides dans l'organe. La TEMP exige un collimateur afin de sélectionner les photons perpendiculaires à l'organe ou la fonction ciblée. Ce collimateur doit être adapté à l'énergie des photons émis par le radionucléides (collimateur à haute énergie pour l'iode 131 par exemple). Ce procédé induit la perte d’une grande quantité de photons et explique la mauvaise qualité relative des images. Cependant la sensibilité du signal photonique est telle que ce type d'imagerie est très performant.
La TEP
La tomographie par émission de positons (TEP) est une scintigraphie consistant à administrer au patient un radiopharmaceutique marqué par un radionucléide émetteur de positons (béta+). Une fois émis et après un court parcours de l’ordre du millimètre, le positon va s’annihiler avec un électron du milieu donnant lieu à l’émission de deux photons gamma de dans des directions opposées (à 180°). La détection de ces photons se fait par coïncidence et à l’aide d’une caméra TEP ; ce qui permet de localiser la position de l’émission et la concentration du traceur en chaque point. Les coïncidences sont converties en images tomographiques en utilisant un algorithme de reconstruction et l’image de l’organe en 3D est ainsi reconstituée.
Les traceurs les plus communs sont des radionucléides (de demi-vie très courtes) couplés à des molécules de glucose qui vont se fixer aux tissus qui consomment le plus de sucre, en particulier les cellules cancéreuses. Le fluor 18 (18F) est l'émetteur de positons actuellement le plus utilisé. Mais on retrouve aussi d’autres radionucléides utilisables tels que 15O, 13N et 11C. Cependant la période très courte de ces éléments fait qu'ils ne peuvent être utilisés que lorsqu'un cyclotron de production est à proximité de l'installation de médecine nucléaire.
La TEP a été initialement développée pour la neurologie (déceler des lésions cérébrales qui causent l’épilepsie, la maladie de Parkinson ou d’Alzheimer) et la cardiologie (détection de malformations des muscles du cœur) ; actuellement, la TEP est essentiellement développée pour la cancérologie.
Imagerie couplée Actuellement la plupart des gamma-caméras (TEMP ou TEP) sont liées à un scanner X (ou dans le futur une IRM) permettant l'association ou plutôt la fusion de l'information structurelle apportée par le scanner à l'information métabolique ou physiologique apportée par la scintigraphie.
La scintigraphie en France
Il y a en France en 2013 un peu plus de 460 gamma caméras et environ 118 TEP-TDM répartis dans 220 centres de médecine nucléaire.
Plus d'un million de scintigraphies et près de sont réalisées chaque année en France dans les centres de Médecine Nucléaire (données SFMN 2013). Comparaison avec d’autres méthodes de diagnostic