FR2478826A1 - Appareil de detection de stenoses coronaires et particules radioactives utilisees dans le procede - Google Patents

Abstract

LE PROCEDE CONSISTE A INJECTER DANS LE SANG DU SUJET UN CERTAIN NOMBRE DE PARTICULES 25 EMETTRICES DE RAYONS GAMMA D'UNE ENERGIE INFERIEURE A 300KEV, A FILTRER SELECTIVEMENT LE RAYONNEMENT EMANANT DU CORPS DU SUJET A TRAVERS UN ECRAN 31 COMPORTANT DES REGIONS OPAQUES ET DES REGIONS TRANSPARENTES AU RAYONNEMENT 23 DANS UNE CONFIGURATION CHOISIE ET A DETECTER LE RAYONNEMENT PASSANT EN LIGNE DROITE A TRAVERS LES REGIONS TRANSPARENTES POUR DETERMINER LES EMPLACEMENTS SUCCESSIFS DANS UN ESPACE TRIDIMENSIONNEL EN FONCTION DU TEMPS DE CHAQUE PARTICULE ET DETERMINER A PARTIR DE CES INFORMATIONS LE TRAJET DU VAISSEAU ET LA VITESSE D'ECOULEMENT DU SANG, CE QUI PERMET DE DETERMINER L'IMPORTANCE, LE SIEGE ET LA GRAVITE DES LESIONS STENOTIQUES DES VAISSEAUX.

Description

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Les cardiopathies coronariennes sont la princi-

pale cause des décès aux Etats-Unis et dans le monde oc-

cidental. Les cardiopathies coronariennes sont responsa-

bles des deux tiers des décès des individus de sexe mas-

culin pendant la période de la vie (de 30 à 64 ans) o les responsabilités familiales et sociales sont les plus grandes. Environ le tiers des individus qui meurent d'une cardiopathie coronarienne succombent immédiatement après occlusions des artères coronaires; un tiers meurent dans

les quelques heures qui suivent, et un tiers seulement bé-

néficient d'une thérapie hospitalière. Parmi les indivi-

dus qui subissent leur premier infarctus du myocarde, plus de la moitié n'ont jamais eu ni de signe ni de symptôme

antérieurs de cardiopathie coronarienne.

Au cours de ces dernières années, la chirurgie

du pontage au moyen d'un greffon veineux s'est révélée ê-

tre une modalité thérapeutique ayant de très larges possi-

bilités d'application. Du fait que plus de 70% des sténo-

ses des artères coronaires se produisent dans les quatre premiers centimètres du système artériel coronarien, on peut ponter un pourcentage élevé des lésions coronariennes

avec un faible taux de mortalité et un taux élevé de dé-

sobstruction. Des études épidémiologiques approfondies ont

fait ressortir les facteurs (hypercholestérolémie, hyper-

tension, obésité et tabagisme) qui sont statistiquement en corrélation avec une fréquence accrud des cardiopathies

coronariennes. Mais bien qu'un patient puisse avoir inté-

rêt à sortir du groupe à risque plus élevé en modifiant son

genre de vie d'une manière appropriée, ces indices ne peu-

vent pas, pour un patient donné quelconques fournir des informations concernant l'existence de lésions sténotiques des artères coronaires ni servir de base à des décisions

cliniques en ce qui concerne une intervention thérapeutique.

On a suggéré l'emploi d'essais de tension élec-

trocardiographique comme moyen pour dépister les individus

qui présentent des lésions coronariennes importantes. Ce-

pendant, au cours d'une importante étude prospective pen-

dant laquelle les sujets ont été soumis à des essais répé-

tés, la sensibilité de cet essai s'est avérée être trop faible (seulement 30%) pour être satisfaisante.

Actuellement, l'artériographie coronarienne don-

ne des informations plus utiles au sujet de l'état des ar-

tères coronaires que toute autre technique. Cependant, au cours d'une importante étude effectuée en coopération, la fréquence des complications importantes a été de 2% et le taux de mortalité a été de 0,23%. En plus des dangers, le processus est douloureux, onéreux et il prend beaucoup de temps. Pour cette raison, l'angiographie coronarienne n'est pas effectuée sur des individus qui ne présentent pas

de symptôme et elle ne convient pas pour effectuer un exa-

men systématique de populations nombreuses.

On a décrit dans le brevet des EUA n0 4.111.191 délivré le 5 septembre 1978 au nom de Robert F. Shaw sous le titre "Apparatus and Method for examining blood vessels of interest by tracking position with respect to time of particules introduced therein" (Appareil et procédé pour examiner des vaisseaux sanguins présentant de l'intérêt en repérant la position par rapport au temps de particules qui y sont introduites) un mode de réalisation d'un appareil pour détecter l'étendue, le siège et la gravité des lésions

sténotiques des artères coronaires tout en opérant à l'ex-

térieur du corps. Cet appareil et le procédé correspondant

utilisent des techniques qui opèrent sur des paires de si-

gnaux dirigés en sens inverse détectés à l'extérieur du

corps.

Conformément au mode de réalisation de la présen-

te invention qui a été représenté, on détecte des lésions arthérosclérotiques sténotiques des artères coronaires en

injectant un certain nombre de particules émettrices de ra-

yons gamma dans le sang en circulation d'un sujet et en dé-

tectant le rayonnement gamma émis à travers des ouvertures codées pour déterminer la vitesse de l'écoulement sanguin

dans ses vaisseaux coronaires.

Du fait de la résistance périphérique élevée

du tissu vasculaire myocardique et de l'intervalle con-

sidérable de changements de résistance autorégulateurs

dont dispose la circulation coronaire, il faut des sté-

noses coronaires de 80 à9O0o/ pour diminuer de manière ap-

préciable le débit volumique de sang coronarien. Cette tendance du débit volumique de sang coronarien à rester

normal même en présence de sténoses graves est responsa-

ble de l'apparition tardive ou de l'absence de symptômes

d'angine de poitrine et de diagrammes d'électrocardiogram-

me permettant d'effectuer un diagnostic même en présence de sténoses coronariennes et explique pourquoi la mesure

du débit volumique du sang ne fournit que des indica-

tions médiocres des maladies coronariennes.

Cependant, cette tendance du débit volumique du sang à rester normal même en présence d'une sténose grave fournit cette caractéristique distinctive que le sang qui s'écoule dans un segment d'artère sténosé doit avoir une vitesse élevée. En fait, pour maintenir le débit volumique constant, la vitesse moyenne du fluide dans un

segment d'artère sténosé doit changer d'une manière exac-

tement inversement proportionnelle au changement des sur-

faces de section transversale entre un vaisseau sanguin normal et un vaisseau sanguin sténosé. Plus la sténose coronarienne devient grave, plus les accroissements de la

vitesse d'écoulement du sang deviennent importants.

Conformément au mode de réalisation de la pré-

sente invention qui a été représenté, on introduit dans

le corps du patient par injection intraveineuse des par-

ticules radioactives discrètes émettrices de rayons gamma ayant des dimensions suffisamment petites pour passer dans les réseaux capillaires et ces particules se répartissent

dans le volume du sang en circulation. On suit les parti-

cules qui apparaissent dans le volume du sang en circula-

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tion. On suit les particules qui apparaissent dans la ré-

gion du coeur en trois dimensions, par exemple, à travers

des ouvertures codées associées à des gamma-caméras, cha-

que ouverture codée comportant des parties transparentes et des parties opaques au rayonnement. Un collimateur sté-

nopé, un collimateur à canaux parallèles ainsi que l'ou-

verture codée utilisée dans le mode de réalisation repré-

senté ont tous été décrits ci-dessous. On analyse les en-

registrements des positions des particules en fonction du

temps et, chaque fois qu'une particule suit un trajet in-

diquant qu'elle circule dans une artère coronaire, on me-

sure la vitesse du sang pendant qu'il s'écoule dans l'ar-

tère en chronométrant le temps de passage de la particule.

A partir des données accumulées de multiples passages de particule dans la circulation coronarienne, on construit

une représentation de la section transversale de l'ouver-

ture de passage du système artériel coronarien.

D'autres caractéristiques de l'invention appa-

raîtront à la lecture de la description qui va suivre et à

l'examen des dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue en perspective d'un coeur humain montrant les principales artères coronaires; La figure 2 est une vue schématique comportant un schéma de principe de la présente invention qui utilise

des détecteurs classiques et des collimateurs à canaux pa-

rallèles pour observer les particules ou sources radioacti-

ves en trois dimensions; la figure 2b est une vue schématique comportant un schéma de principe de la présente invention qui utilise des détecteurs classiques et des collimateurs convergents

dans un système de caméras dans lequel le grossissement dé-

pend de la distance entre la source et le plan du collima-

teur; la figure 3 est une vue schématique comportant un schéma de principe de la présente invention qui utilise un

détecteur classique et une ouverture codée contenant un ta-

bleau non ordonné d'orifices carrés; la figure 4 est une vue schématique comportant un schéma de principe de la présente invention qui utilise un écran à ouverture codée contenant un unique orifice annulaire;

la figure 5 est un tableau synoptique du procé-

dé montrant l'analyse des données qui peut être utilisée avec les modes de réalisation représentés sur les figures 2, 3 et 4; et

les figures 6a et 6b sont des graphiques qui re-

présentent respectivement la fréquence relative de détec-

tion suivant la longueur d'un vaisseau coronaire et sa cor-

rélation avec la surface de la section transversale de l'ou-

verture de passage correspondante du vaisseau.

Comme représenté sur la figure 1 à laquelle on

se référera, on doit noter qu'il existe trois artères coro-

naires principales. Ces trois vaisseaux s'embranchent d'une manière quelque peu irrégulière pour former une moyenne de dix vaisseaux secondaires, comme représenté. Les lésions artériosclérotiques sont typiquement limitées aux segments des vaisseaux coronaires situés dans l'épicarde et elles s'étendent rarement au-delà des parties les plus proximales des vaisseaux secondaires. La plus forte concentration de lésions artériosclérotiques se trouve dans les 2 à 3 premiers centimètres de l'artère antérieure descendante gauche 3, mais les lésions sont par ailleurs distribuées relativement

au hasard dans les artères primaires et secondaires proxi-

males. Soixante dix pour cent de toutes les lésions arté-

riosclérotiques coronariennes se trouvent dans les 4 cen-

timètres proximaux des artères coronaires principales.

La vitesse moyenne de l'écoulement du sang dans les vaisseaux sanguins coronaires de l'épicarde est de l'ordre de 20 cm/s. Une sténose de 50% est généralement considérée comme importante. Pour être utile, le système devrait être capable de distinguer les vaisseaux normaux des lésions sténotiques à 50% et il devrait être capable d'évaluer des diminutions supplémentaires significatives

des sections transversales de ces vaisseaux.

Des vitesses d'écoulement du sang caractéris-

tiques dans des sténoses de divers degrés sont les sui-

vantes: Degré de sténose Vitesse moyenne 0% 30 cm/s % 60 cm/s % 100 cm/s 80% 150 cm/s % 300 cm/s

Etant donné que la vitesse d'écoulement coro-

narien au repos nominale est d'environ 30 cm/s, le sys-

tème devrait idéalement être capable de distinguer une vitesse d'écoulement de 60-75 cm/s d'une vitesse de 30

cm/s afin de détecter des lésions importantes et de dis-

tinguer entre elles les vitesses de 75, 100, 150 et 300 cm/s afin de suivre les accroissements supplémentaires de

% en 10% des sténoses.

Selon son mode de réalisation préféré, la pré-

sente invention dépiste un certain nombre de particules ou sources émettrices de rayons gamma mobiles discrètes présentes dans le sang en circulation. Le système non

seulement repère la position des sources dans trois di-

mensions mais encore il les repère maintes et maintes fois

à de très courts intervalles de temps. La fréquence né-

cessaire des repérages d'une source particulaire est déter-

minée à partir des considérations suivantes.

Comme noté ci-dessus, la vitesse nominale de

l'écoulement du sang dans une artère coronaire est d'en-

viron 30 cm/s pour un sujet au repos. L'écoulement du sang dans un segment d'artère malade qui est sténosé à 809% a une vitesse égale à cinq fois cette valeur nominale (150 cm/s). Le sang qui s'écoule dans un segment d'un vaisseau sanguin ayant une sténose grave de 90% aura une vitesse de 300 cm/s. Pour mesurer une sténose de 90% qui

a un centimètre de long, une particule traversant la ré-

gion sténosée doit être détectée au moins quelques fois.

A 300 cm/s, il ne faut que trois millisecondes pour par-

courir une longueur de vaisseau d'un centimètre.

Comme noté ci-dessus, il y a trois artères co- ronaires principales qui se ramifient en moyenne en dix branches secondaires. Ai, à des fins statistiques, on désire effectuer trois mesures de vitesse dans chacune des dis branches secondaires, un total de 3 x 10 passages de

particule dans le réseau coronaire est alors statistique-

ment nécessaire. Ceci fournira approximativement 10 pas-

sages dans chacune des artères principales proximales dans

lesquelles la plupart des lésions athéromateuses sont si-

tuées. Etant donné que l'écoulement sanguin dans le réseau coronaire ne représente qu'environ 5% seulement du débit cardiaque au repos, une particule donnée n'a qu'une probabilité de 0,05 d'entrer dans la circulation

coronaire après un unique passage à travers le coeur.

Ainsi, 20 circulations à travers le coeur multipliées par 30 passages de particules dans le système coronaire,

ou un total de 600 passages de particule dans la circu-

lation, fourniraient la redondance des mesures de vites-

se d'écoulement du sang dans le système coronaire dé-

crite dans ses grandes lignes ci-dessus.

Etant donné que le temps moyen de circulation est d'une minute ou moins, une unique particule suivie dans

la circulation pendant 600 minutes conviendrait pour per-

mettre la redondance mentionnée si sa période ou demi-vie

était suffisamment longue et si elle continuait de circu-

ler pendant la période de dix heures. Naturellement, une

période de dix heures est une durée d'une longueur inappro-

priée pour une mesure de diagnostic. Quarante particules circulant pendant quinze minutes seraient d'un emploi bien plus commode et elles fourniraient un nombre comparable de

passages de particule (600 passages) dans le système cir-

culatoire.

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Le nombre de particules nécessaires pour attein-

dre 600 passages de particule dans la circulation est influencé par la possibilité que les particules émettrices de rayons gamma soient éliminées de la circulation par les cellules de Kupffer du foie. La tendance du foie à ex- traire les particules est une fonction de leurs dimensions

et de leurs caractéristiques de surface, de l'état du sys-

tème réticulo-endothélial tel qu'influencé par le prétrai-

tement et d'autres causes, et d'autres variables.

L'écoulement du sang dans le foie représente

environ 25% du débit-cardiaque au repos. Si le prétrai-

tement a des résultats modérément satisfaisants, les par-

ticules seront extraites du foie avec un rendement d'en-

viron 50% et le nombre des particules en circulation sera

réduit d'un facteur de 2 toutss les 8 minutes.

Si la période de l'isotope utilisé dépasse 15

minutes environ, un programme raisonnable d'administra-

tion de particules peut commencer avec une injection intra-

veineuse initiale de 40 particules suivie d'une injection

continue de 10 particules toutes les 3 minutes. Le nom-

bre des particules en circulation restera constant autour

de 40 environ pendant la totalité de l'examen de 15 minu-

tes et un total de 87 particules sera administré.

Si la période de l'isotope utilisé est très

courte, par exemple de 5 secondes, une administration in-

traveineuse continue de 40 particules radioactives par

minute sera nécessaire étant donné que les particules ra-

dioactives ne seront actives qu'au cours de leur premier passage à travers le coeur. (Au cours d'un intervalle de 60 secondes entre les passages dans le coeur, l'activité

de chaque particule aura diminué d'un facteur de 4.000).

Dans ce cas, un total de 600 particules radioactives sera administré. La complexité du traitement des données est

influencée d'une manière importante par le nombre des par-

ticules qui doivent être simultanément détectées dans le champ de vision qui entoure le coeur. C'est pour cette raison que le nombre moyen de particules en circulation est maintenu à environ 40 dans les exemples précédents. Si ]'on admet que 5% du volume total du sang se trouvent dans le coeur et que 5% supplémentaires se trouvent dans les poumons et dans la paroi de la poitrine au voisinage du

coeur, il y aura statistiquement une moyenne de 4 parti-

cules radioactives à l'intérieur du champ de vision qui

entoure le coeur.

FONCTIONNEMENT GENERAL

Conformément à la présente invention, la position de toutes les sources ou particules radioactives situées au voisinage de la région du coeur doit être déterminée

avec une précision spatiale de + 1,5 mm.

Depuis un certain nombre d'années, on a utilisé la caméra à scintillation Anger pour former une image des

répartitions d'isotopes émettant des rayons gamma à l'in-

térieur du corps (voir, par exemple, le brevet des EUA

n0 3 011 057 délivré le 28 novembre 1961 au nom de H.0.

Anger). Les caméras disponibles dans le commerce ont des

précisions spatiales comprises entre + 3 mm et + 5 mm lors-

qu'elles reproduisent l'image de rayons gamma de 141 keV.

(La notation de + 3 mm utilisé ici signifie que la fonction de dispersion latérale des lignes a une demi-largeur à la

moitié du maximum de 3 mm).

Les processus de reproduction d'images classi-

ques utilisent un collimateur sténopé ou un collimateur à canaux multiples qui effectue une simple transposition point par point de la répartition des isotopes émetteurs

de rayons gamma sur la caméra à scintillation. Malheureu-

sement, le procédé ne fournit pas une information en trois

dimensions et l'image résultant n'est qu'une projection bi-

dimensionnelle de la répartition dans le plan de la caméra

à scintillation. Pour pouvoir dépister les sources émet-

trices de rayons gamma dans trois dimensions, il est né-

cessaire qu'au moins deux systèmes de reproduction d'ima-

ge suivent les mêmes particules radioactives à partir d'em-

placements différents.

Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2a, deux systèmes de caméra 5 et 7 observent

la région du coeur à partir de deux emplacements diffé-

rents. Ces systèmes de caméra 5 et 7 peuvent utiliser

des collimateurs sténopés, divergents, à canaux en pa-

rallèles ou convergents 9 et 11.

Dans le mode de réalisation représenté sur la

figure 2b, on doit noter que lorsqu'on utilise un collima-

teur sténopé ou un collimateur convergent (c'est-à-dire focalisateur) à canaux multiples 13, 15, le grossissement

de l'image par rapport au sujet dépend d'une manière con-

nue de la distance du sujet à la caméra. Ainsi, en posi-

tionnant un système collimateur-caméra à grossissement variable devant et un autre système similaire derrière la région du coeur, on peut analyser un enregistrement du

trajet et de la vitesse apparents de la particule radio-

active telle que créé par les deux systèmes de caméra

pour déterminer à la fois la vitesse vraie de la particu-

le et le trajet qu'elle suit, en trois dimensions.

La transmission géométrique des collimateurs à canaux multiples couramment utilisés ayant une précision

de + 5 mm à 141 kV est telle que pour chaque mCi d'activi-

té de la source radio-active, environ 10.000 rayons gamma à la seconde atteignent le cristal scintillateur. Parmi ces rayons, environ 8000 sont diffusés dans le corps du patient et la plupart peuvent être rejetés par la sélection

par hauteur d'impulsion classique effectuée par la caméra.

Il en résulte que pour chaque mCi d'activité de la source,

environ 2.000 rayons gamma non diffusés sont détectés cha-

que seconde et qu'un même nombre de rayons gamma diffusés

franchissent le seuil de hauteur d'impulsion chaque secon-

de. Pour que la particule radioactive signale sa position à chaque milliseconde avec une précision de + 5 mm, en

produisant un point enregistré, l'activité de chaque par-

ticule radioactive doit être d'environ 500luCi. Bien que la précision de chaque détection de particule ne réponde pas à la précision requise de + 1,5 cm, on peut obtenir une amélioration de la précision lorsqu'on établit la moyenne des positions d'un grand nombre de points. Par exemple, dans le cas d'une sténose à 70%, la particule radioactive se déplace d'un centimètre au cours de chaque période de 10 ms et il est possible d'établir la moyenne

de positions de 10 points pour obtenir la précision dési-

rée du repérage de position. Dans le cas d'une sténose à 0%, 30 points sont disponibles pour chaque centimètre de déplacement.

Dans un autre mode de réalisation, un collima-

teur sténopé ayant un pouvoir séparateur de + 5 mm à 140 keV a moins de 50% de la transmission du collimateur à

canaux parallèles et il nécessiterait l'emploi d'une ac-

tivité encore plus grande de la source. Comme décrit ci-

dessus, pour les isotopes à longue durée de vie, environ particules sont nécessaires pour suivre le trajet de chaque artère le nombre désiré de fois et ceci nécessite

une activité totale de 40 mCi. Afin de maintenir la do-

* se fournie au foie à l'intérieur de niveaux raisonnables, il est avantageux d'injecter au préalable des particules de carbone colloïdal pour occuper les cellules de Kupffer

du foie et empêcher l'absorption des particules radioac-

tives. Il est également avantageux d'utiliser des isoto-

pes à courte durée de vie, tels que ceux produits par la

désintégration d'isotopes à plus longue vie.

Un exemple est le Ir 9 à période de 4,9 s qui n'émet que des rayons gamma de 129 keV et est produit

par la désintégration du Os191 à période de 15 jours.

L'énergie du rayonnement gamma est bien adaptée à la camé-

ra et aux propriétés d'absorption du plomb et la courte période a pour effet que le patient est soumis à une très

faible dose. Dans une exploration typique du foie effec-

tuée en utilisant un colloîde soufre-Tc 99m à période de 6 heures, la dose à laquelle le foie est soumis est de

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3 rads pour une injection de 3 mCi. En utilisant 600 par-

ticules contenant chacune 5001uCi de Ir 191m à période de 4,9 secondes, la dose correspondante sera inférieure à

0,05 rads.

Une solution plus efficace pour le dépistage

d'un petit nombre de particules émettrices de rayons gam-

ma discrètes est l'emploi d'ouvertures codées conformé-

ment à la présente invention. Ceci permet la détection d'une plus grande fraction des rayons gamma émis par la source et fournit également une information de position

tridimensionnelle. Un mode de réalisation d'une ouvertu-

re codée a été représenté sur la figure 3 sous la forme d'un écran 21 contenant une configuration désordonnée de

fenêtres ou orifices carrés 23 transmettant le rayonnement.

On admet que les rayons gamma 27 émis par les particules radioactives 25 sont arrêtés-par l'écran 21 à moins qu'elles

traversent l'un des orifices 23.

Pour une unique particule radioactive station-

naire, le détecteur classique 29 d'image de rayons gamma

enregistre simplement la forme de l'ombre de l'écran 21.

Cette forme d'ombre présente plusieurs propriétés utiles.

Pour une distance donnée entre l'écran 21 et le détecteur 29, la dimension de la forme est dans une relation univoque

avec la distance entre la particule radioactive 25 et l'é-

cran 21 et la position de la forme est dans une relation univoque avec la position de la particule radioactive 25

dans un plan parallèle à l'écran 21. Un moyen pour déter-

miner la position de la particule radioactive 25 dans trois dimensions consiste à supposer un grand nombre de positions d'essai (par exemple à l'intérieur d'un volume tridimensionnel régulier) et à choisir la position qui est la plus compatible avec la forme observée. On effectue cela en reliant utilement des lignes partant de la position

d'essai au point de détection sur le détecteur 29 qui appa-

rait à l'intérieur d'un intervalle de temps donné et en déterminant la fraction (Q) qui traverse les ouvertures 23 de l'écran 21. Le point de l'espace ayant le facteur de

qualité Q le plus élevé est la vraie position de la sour-

ce. (La précision de ce procédé est limitée par les fluc-

tuations statistiques). Pour le cas de plusieurs parti-

cules radioactives 25, Q est maximisé à chaque position de particule radioactive. Si les orifices carrés 23 de

l'écran 21 représentent une fraction F de sa surface to-

tale et s'il n'y a pas de diffusion de rayons gamma dans

le patient, on a alors Q. = F pour les points d'essai é-

loignés de la vraie position de la source et Q0 = 1 pour

les points d'essai situés à la position vraie de la source.

Au voisinage de la position vraie de la source, le facteur

Q varie entre les deux valeurs extrêmes.

La diffusion par effet Compton des rayons gamma

dégrade la forme observée et réduit le facteur QO. Lors-

qu'on reproduit l'image du coeur humain en utilisant des rayons gamma ayant des énergies proches de 129 keV, on

trouve que parmi la totalité des rayons gamma qui franchis-

sent le seuil de hauteur d'impulsion du détecteur, une fraction S (égale approximativement à 0,5) s'est diffusée

dans les tissus du patient (on notera que pour chaque ra-

yon gamma accepté par la caméra environ 1,5 ont été rejetés).

Compte tenu de la diffusion Compton; Qo = 1 - S (1-F) tandis que

Q1 = F, n'étant pas influencé par la diffusion.

La présence de plusieurs particules ou sources radioactives dans le champ de vision dégrade également le facteur de qualité de sorte que Q0 = /TS(1-F) + (N-1)F7/N à une position de source et que Q1 = F dans les emplacements

éloignés de toutes les positions de source, N étant le nom-

bre des particules ou sources radioactives dans le champ de vision. Pour une probabilité de diffusion S=0,5 et pour

N=4 particules ou sources radioactives, cette équation de-

vient Qo = (1+7F)/8 et Q1 = F. On désire choisir le fac-

teur F de transparence de l'écran (c'est-à-dire le rapport des orifices carrés 23 à la surface totale de l'écran) de sorte que l'activité minimale des sources soit nécessaire

pour détecter avec précision les quatre particules radio-

actives. Les valeurs de QO et de Q1 sont sujettes à des fluctuations statistiques. Une fluctuation typique de i Q0 (en fait son écart type) est (Q0/4ND) formule dans laquelle ND est le nombre de particules gamma détectées par particule radioactives. S'il est nécessaire que Q0 et Q1 diffèrent de cinq écarts types de Q0: Qo-Q1 = 5(Qo/4ND)i ou

QO- 1 -F = / 1 +7F)

Qo-Q1 = 5 -DN Ceci nécessite que ND 50(1+7F) (1-F)2. Le nombre de photons détectés ND est lié au nombre NS émis par la sour-

ce, à la transmission géométrique de l'écran (environ 0,15F si l'écran soustend 2 stéradians) et à la probabilité de franchissement de la sélection par hauteur d'impulsion (environ 0,4):

NS = ND(0,060F)1

NS = 883(1+7F)(1-F)-2 (F)-1

Le tableau ci-dessous indique la relation en-

tre NS et F: F NS Qo Q1

0,5 30.400 0,56 0,50

0,4 22.400 0,48 0,40

0,3 17.900 0,39 0,30

0,25 16.500 0,34 0,25

0,20 15.800 0,30 0,20

0,175 15.600 0,28 0,175

0,15 16.000 0,26 0,15

0,10 17.600 0,21 0,10

0,05 25.400 0,17 0,05

A l'intérieur d'un intervalle préféré allant de F'- 0,3 à F 0,1, le choix de F = 0,175 nécessite que 2478 82e

15.600 rayons gamma soient émis par chacune des 4 parti-

cules radioactives. Pour pouvoir suivre les particules en utilisant des créneaux de temps de 3 ms, l'activité est alors de 15.600 par créneau x 333 créneaux/s = 5x106 par seconde ou 140OuCi par particule radioactive. Le détecteur de rayons gamma détectera alors 216.000 rayons gamma par seconde à l'intérieur de sa fenêtre de hauteur d'impulsion. Ceci entre dans les possibilités de la

technologie actuelle.

Une analyse plus générale montre que la valeur

optimale de N n'est pas très sensible au nombre de parti-

cules radioactives N et que le nombre des photons émis par les sources s'élève avec le nombre N.

N F (optimal) NS Activité nécessaire par parti-

cule radioactive pour des créneaux de 3 ms 1 0,218 7.700 70/uCi 2 0,214 10.400 95puCi 3 0,193 13.000 120juCi 4 0,176 15.600 140 uCi 5 0,164 18. 000 160OuCi 6 0,153 20.400 180/uCi 0,126 23.700 210 pCi F (optimal = _ 71 3 Sur la figure 4 à laquelle on se référera, on

a représenté un écran 31 à ouverture codée muni d'une uni-

que ouverture annulaire 33. Une unique source ponctuelle

projette une forme circulaire 36 sur le détecteur d'i-

mage 37, la dimension du cercle étant dans une relation univoque avec la distance entre la source ponctuelle 35

et l'écran 31 et la position de cercle étant dans une re-

lation univoque avec la position de la source 35 dans le plan parallèle à l'écran 31. Si l'ouverture circulaire 33

de l'écran 31 a, par exemple, 5 cm de diamètre et si l'ou-

verture a 0,5 cm de large, les particules qui se trouvent

dans la région du coeur produiront 4 cercles qui se chevau-

chent avec très peu de confusion. Pour une particule radio-

active située à 10 cm au-dessus de l'écran 31, la transmis-

sion géométrique de cette ouverture est g = 6,3x10 3. Le

nombre de rayons gamma NS émis par chaque particule radio-

-5 active et le nombre de rayons gamma (ND) qui franchissent le seuil de hauteur d'impulsion sont liés entre eux par la relation: ND = NS(0,4)g = 2,5 x 10-3 NS Etant donné que l'on doit avoir ND = 60 rayons gamma détectés (dont la moitié sont diffusés) on a Ns = 24.000 photons émis par chaque particule radioactive. Pour suivre les particules en utilisant des créneaux de temps de 3 ms, l'activité est alors de 24.000 par créneau x 333

créneaux/s = 8,Ox106 s ou 220juCi par particule radioactive.

ANALYSE DES DONNEES

Conformément à la présente invention, on peut utiliser l'appareil avec interposition de portes classiques synchronisées avec les battements du coeur du patient afin de n'observer les sources que pendant la phase diastolique de la révolution cardiaque, lorsque le mouvement du coeur

est minimal et que la vitesse du sang dans les artères coro-

naires est la plus grande et la plus constante. La dias-

tole cardiaque occupe, d'une manière caractéristique, une période de 400 à 600 millisecondes qui est considérablement plus longue que le temps de passage (30 à 300 millisecondes) nécessaire à une particule pour s'écouler sur une longueur

de 10 cm d'artère coronaire.

Les techniques de collimation, de codage et de détection décrites cidessus servent toutes à fournir une liste de temps et les coordonnées tridimensionnelles de

chaque particule à chacun de ces temps. Le tableau ci-a-

près montre le comportement des particules radioactives dans les cavités du coeur et le comportement, qui fait contraste, des particules radioactives qui se déplacent dans les artères coronaires et dans le réseau capillaire myocardique.

Dgns les cavi- Dans les ar- Dans le ré-

tes du coeur tères coro- seau capil-

naires laire du myocarde Vitesse moyenne (cm/s d 30 de 30 à 300 Durée moyenne du séjour r- 2s de 0,03 à 0,3s -'2s dans zones spécifiées Type de trajectoire aléatoire linéaire avec essentiel-' coudes occa- lement

sionnels station-

naire Se déplace vers le bas de 5 à 10 cm en < 0,3s NON OUI NON puis s'arrête pendant \ 2

Nombre moyen de parti-

cules radioactives 2 0,01 0,1 présentes Intervalle moyen entre les passages dans les 1,5 s 30 s 30 s zones spécifiées

Essentiellement station-

naire pendant 2 ou 3 NON NON OUI cycles successifs (Tous les nombres donnés sont approximatifs) Ces différences forment la base sur laquelle les

données sont analysées, comme décrit en se référant à la-

figure 5. En premier lieu, on peut mettre en mémoire les données relatives aux coordonnées et aux temps de production des rayons détectés sur bande, disque ou analogue (étapes 41, 42) en vue d'un traitement ultérieur. Toutes les particules radioactives qui sont apparues dans le réseau capillaire du

myocarde depuis le début de l'examen peuvent ainsi être iden-

tifiées à l'étape 43. Chacune de ces particules a initiale-

ment suivi un certain trajet dans le système d'artères coro-

naires. Comme indiqué dans le tableau ci-dessus, les par-

ticules radioactives qui se trouvent dans le réseau capillai-

re du myocarde sont très distinctives du fait de leur faible

vitesse par rapport à la paroi du coeur.

Parmi les 900 périodes diastoliques qui se produi-

sent pendant la période d'un examen, on en choisit environ

qui sont liées à l'apparition d'une particule radio-

active dans le myocarde (étape 44). Ainsi, cette première

étape rejette 97% des périodes diastoliques qui ne pré-

sentent ensuite plus d'intérêt.

Ensuite, on examine les données (organisées en créneaux de temps de 3 millisecondes et reproduites en

sens inverse de leur enregistrement) qui précèdent l'ap-

parition de la particule radioactive dans le myocarde (é-

tape 45). La particule radioactive semble se déloger de la paroi du coeur et se déplacer rapidement (de 30 à 300

cm/s) et dans l'ensemble vers le haut en direction de l'a-

orte. On peut alors afficher, à l'étape 46, une unique image tridimensionnelle (ou au moins deux affichages, plans

qui sont orientés orthogonalement de façon à présenter plu-

sieurs vues) représentant la répartition spatiale de tou-

tes les détections de particule radioactive au cours des créneaux de 3 millisecondes de leur mouvement rapide. La forme du système artériel coronaire peut être bien observée à partir d'un tel affichage et la fréquence des détections

à l'intérieur de tels créneaux de temps donne une indica-

tion de la section transversale des artères. Les régions

le long d'une artère quelconque qui indiquent une plus fai-

ble fréquence de détection seront ainsi identifiées comme les principaux candidats à une sténose artérielle et à une

analyse complémentaire. La plus faible fréquence de détec-

tion est attribuable au mouvement rapide d'une particule radioactive dans une région sténosée de telle sorte que la densité des points ou fréquences de détection le long de l'artère est ainsi directement proportionnelle à la surface de la section transversale de l'ouverture de passage de l'artère comme représenté sur les graphiques des figures 6a et 6b. Pour les plus grandes artères coronaires, on peut ajouter les données d'un grand nombre de passages, ce qui

permet d'obtenir une répartition avec des fluctuations sta-

tistiques réduites. Bien qu'il y ait de très grandes chan-

ces pour que les informations disponibles à ce stade soient

suffisantes pour établir un diagnostic clinique de l'exis-

tence, de l'étendue et du siège d'une cardiopathie corona-

rienne, on peut utiliser l'étape d'analyse supplémentaire suivante. En troisième lieu, les répartitions obtenues au

cours de la seconde étape fournissent des informations tri-

dimensionnelles relatives à la forme détaillée du système artériel coronaire. Ces informations peuvent être mises en mémoire dans une mémoire d'ordinateur sous forme d'une liste de segments de ligne droite reliés entre eux. Pour chaque particule radioactive, on détermine le parcours le

plus probable. Ainsi, on peut déterminer la vitesse mo-

yenne d'une particule radioactive le long d'un segment de x i-X 1 ligne quelconque en prenant la moyenne de T Il formule i- i-i

dans laquelle Xi est la position de la particule radioac-

tive (projetée sur un segment de ligne) au temps T1. On notera qu'il est nécessaire d'utiliser des procédés de

calcul de moyenne du fait de la précision limitée des coor-

données des points individuels.

LES EMETTEURS DE PARTICULES

Bien que l'on se soit référé ici à l'Ir191m à période de 4,9 s, on peut également utiliser, conformément

à la présente invention, plusieurs autres particules radio-

actives, telles que le Tc99m. On a indiqué dans le tableau

ci-dessous diverses autres sources radioactives particulai-

res et leurs propriétés.

-Isotope précurseur Mo90 ta183 oS191 Hg195m Mo99

-Période de l'isoto-

pe précurseur 5,7-h 5,1 j 15 j 40 h 67 j -Isotope engendré 90m 83m 191m 195m 99m (1ère génération) Nb' W18" Irîm AuIm Tc9"

-Période de l'isoto-

pe engendré (1ère génération) 24 s 5,3 s 4,9 s 31 s 6,0 h

-Emissions de l'iso-

tope engendré 122 106;160 129 261 144 (1ère génération) (keV) (stable) (stable) 183j Tc99 (2ème génération) 15 hNb 90 W13 Ir 1 A Il existe d'autres modèles de désintégration qui mettent en jeu des énergies de rayonnement gamma bien plus élevées tels que le Ga68 à période de 68 mm (rayons gamma de 511 keV) provenant de Ge68 à période de 275 jours. Mais de

telles particules radioactives présentent le problème fon-

damental de la réalisation d'une plaque à ouvertures codée utilisable pour un tel rayonnement pénétrant. Pour cette

raison, on a fait porter la discussion qui précède princi-

palement sur l'intervalle d'énergies de rayonnement gamma

entre 100 et 300 keV.

Les particules en circulation ne doivent pas ê-

tre d'une grosseur supérieure à 6-8 pim de sorte qu'elles

traversent librement les réseaux capillaires et chaque par-

ticule doit avoir une activité spécifique comprise entre et 200puCi. Les particules peuvent être constituées

par de petits cristaux d'un sel insoluble contenant l'iso-

tope émetteur de rayons gamma désiré ou par de petites par-

ticules d'une matière très absorbante (telle qu'un tamis

moléculaire) sur laquelle l'isotope émetteur de rayons gam-

ma a été fixé.

Les petits cristaux de sel insoluble présentent l'avantage d'une très forte activité spécifique mais de telles particules radioactives doivent être triées au moyen d'un tamisage avant d'être injectées. Un support absorbant présente l'avantage que toutes les particules radioactives ont des dimensions uniformes et une activité uniforme mais l'activité spécifique est moindre. Pour les isotopes à courte durée de vie, ceci n'est pas un problème important. Pour les isotopes à courte durée de vie, ceci n'est pas un problème important. Typiquement, il n'est besoin que d'uni atome d'un isotope à période de 5 secondes pour 100.000

atomes stables pour donner à une sphère de 6 Nn une acti-

vité de 100IuCi.

LE DETECTEUR

Le système détecteur selon la présente invention comporte un ou plusieurs détecteurs de rayonnement gamma classiques capables de déterminer les coordonnées de rayons gamma incidents au plan du détecteur et une ou plusieurs plaques à ouverture codée qui peuvent être constituées par un collimateur sténopé, un collimateur à canaux multiples

(canaux parallèles, convergents ou divergents) ou une pla-

que, comme représenté sur les figures 3 et 4, ayant une ou

plusieurs zones qui sont pratiquement opaques au rayonne-

ment gamma qui présente de l'intérêt et une ou plusieurs zones qui sont pratiquement transparentes à ces rayons gamma, ou analogue; Une plaque à ouverture codée, 21, 31

est placée entre le volume présentant de l'intérêt dans le-

quel les particules radioactives sont situées et un détec-

teur 29, 37 et elle sert à représenter la position des par-

ticules radioactives sur le détecteur, d'une manière con-

nue. Le détecteur peut être une caméra à scintillation Anger classique disponible dans le commerce qui comporte un unique cristal scintillateur qui est dans le champ optique d'une série de photomultiplicateurs munis de circuits pour déterminer le centre de l'intensité lumineuse o il peut être un unique cristal scintillateur situé dans le champ optique d'une série de photomultiplicateurs du type qui peut être obtenu de la société Baird Atomic, Inc. La présente invention peut, également, utiliser d'autres détecteurs à précision spatiale accrue, tels que la caméra au germanium qui comporte une mosaïque de cristaux de germanium qui sont lus par des amplificateurs de charge ou des chambres à fils remplies de gaz sous pression ou de liquide dans lesquelles les rayons gamma

interagissent dans le gaz sous pression ou dans le liqui-

de et dans lesquels le signal électronique résultant

présent sur les fils est amplifié et transmis en sortie.

Par conséquent, l'appareil est le procédé de la présente invention détectent des régions sténosées dans les artères coronaires en dépistant des particules radioactives émettrices de rayons gamma de l'extérieur du corps du patient. Des plaques à ouverture codée utilisées

en combinaison avec des détecteurs de rayons gamma permet-

tent de fournir les coordonnées de rayons gamma détectés sous une forme commode appropriée pour la réduction et l'analyse des données. En choisissant des données de coordonnées d'une particule radioactive à l'intérieur de périodes de temps successives comme étant indicatives du

trajet suivi par une particule radioactive dans une artè-

re coronaire d'un patient, il est possible de déterminer les sections transversales de l'artère à différents points

de sa longueur. Dans les régions de la longueur de l'ar-

tère dans lesquelles la fréquence de détection des parti-

cules radioactives par intervalle de temps est faible, la

vitesse du sang et des particules radioactives qui s'écou-

lent dans l'artère est élevée et l'écoulement du sang à plus grande vitesse est indicatif d'une sténose dans une telle région. 1 247882e

Claims (17)

REVENDICATIONS

1) Appareil pour interagir avec un certain nombre de particules qui peuvent être introduites dans le sang d'un sujet et qui peuvent produire des signaux, à partir de l'intérieur d'un vaisseau présentant de l'intérêt, qui

peuvent être détectés à l'extérieur du corps par des mo-

yens détecteurs (5; 7; 29; 37) susceptibles d'être posi-

tionnés au voisinage du corps du sujet, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de sélection de signaux (9,11; 13, 15; 21; 31) comportant des régions espacées (telles que 23, 33) ayant un coefficient de transmission relatif

différent du signal provenant d'une particule (25; 35) si-

tuée à l'intérieur du corps du sujet et fonctionnant en combinaison avec les moyens détecteurs (5; 7; 29; 37) pour

détecter les signaux reçus par ces derniers, à travers les-

dites régions espacées, dudit nombre de particules à des emplacements successifs de chacune des particules dudit nombre à des temps successifs pendant le déplacement de

chaque particule dans un vaisseau présentant de l'inté-

rêt, un circuit couplé aux moyens détecteurs pour produi-

re des manifestations de sortie de positions successives

de chacune des particules dudit nombre à des temps suc-

cessifs pendant son déplacement dans le vaisseau présen-

tant de l'intérêt, et des moyens de sortie fonctionnant en réponse aux manifestations de sortie dudit circuit pour fournir une indication des surfaces relatives des sections transversales internes du vaisseau présentant de l'intérêt à des positions successives le long du trajet

du vaisseau présentant de l'intérêt.

2) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de sélection de signaux (9; 11; 13, ; 21; 31) sont disposés entre les moyens détecteurs (5;

7; 29; 37) et le corps du sujet pour intercepter les si-

gnaux émis par une particule située à l'intérieur du corps.

3) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de sélection de signaux comprennent 24788e, un élément (21; 31) ayant un coefficient de transmission relativement faible des signaux et qui comporte au moins

une ouverture (23; 33) ayant un coefficient de transmis-

sion des signaux relativement plus élevée.

4) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport de la surface ayant un coefficient de transmission des signa'.ux relativement élevé à la surface

ayant un coefficient de transmission des signaux relative-

ment faible est compris entre environ 0,11 et 0,45.

5) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens détecteurs (5; 7; 29; 37) produisent

des signaux électriques indicatifs de l'emplacement des-

dits moyens détecteurs auquel un signal est reçu à tra-

vers les moyens de sélection de signaux (9, 11; 13, 15;

21; 31).

6) Appareil selon la revendication 3, caractérisé en-ce que les moyens détecteurs (29; 37) répondent au signal qu'ils reçoivent en provenance d'une particule située à l'intérieur du corps du sujet et en ce qu'ils produisent lesdits signaux électriques représentatifs des coordonnées de l'emplacement desdits moyens auquel un signal provenant du corps du sujet est reçu le long d'une

trajectoire traversant ladite ouverture (23; 33).

7) Appareil selon la revendication 6, caractérisé

en ce que les moyens de sélection de signaux (31) compor-

tent une ouverture toroïdale approximativement circulaire

(33) ayant un coefficient de transmission relativement éle-

vé de tels signaux.

8) Appareil selon la revendication 6, caractérisé

en ce que les moyens de sélection de signaux (21) compor-

tent une série d'ouvertures (23) disposées à des emplace-

ments espacés le long d'axes orientés orthogonalement.

9) Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens détecteurs (29; 37) produisent les signaux électriques en réponse au rayonnement gamma qu'ils reçoivent. ) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit précité comporte des moyens d'entrée connectés pour recevoir des signaux électrocardiographiques du sujet afin de commander ledit circuit de façon qu'il réponde aux détections par les moyens détecteurs (5; 7;

29; 37) pendant une partie choisie de la révolution car-

diaque, d'un signal provenant du corps du sujet qui est reçu le long d'une trajectoire dudit signal qui est transmis

à -travers l'une des ouvertures.

11) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit comporte des moyens minuteurs couplés

aux moyens détecteurs (5; 7; 29; 37) pour produire des ma-

nifestations de sortie indicatives des coordonnées tridi-

mensionnelles de positions successives de chacune des par-

ticules du nombre de particules précité qui se trouve située

à l'intérieur du vaisseau présentant de l'intérêt et de la-

quelle les moyens détecteurs reçoivent le rayonnement le

long d'une trajectoire qui traverse lesdites régions espa-

cées (telles que 23, 33) pendant un intervalle de temps

déterminé par les moyens minuteurs.

12) Appareil selon la revendication 11, caractérisé

en ce que le circuit précité comporte un appareil d'affi-

chage fonctionnant en réponse aux manifestations de sor-

tie précitées pour produire une indication de sortie des emplacements séquentiels en fonction du temps desdites

détections à travers lesdites régions espacées pour four-

nir une indication du trajet du vaisseau présentant de l'intérêt à partir des positions successives le long dudit

vaisseau des particules détectées.

13) Appareil selon la revendication 1, caractérisé

en ce que le circuit précité comporte des moyens de trai-

tement de données fonctionnant en réponse auxdites mani-

festations de sortie pour produire une indication des fré-

quences d'apparition de telles manifestations de sortie à l'intérieur d'incréments le long d'une dimension de coordonnée qui est représentative d'incréments de longueur

le long du vaisseau présentant de l'intérêt.

14) Appareil selon la revendication 13, caracté-

risé en ce que les moyens de traitement de données fonc-

tionnent en réponse aux manifestations de sortie représen-

tatives de signaux détectés passant suivant des trajec-

toires en ligne droite virtuelle à travers les moyens de

sélection de signaux (9, 11; 13, 15; 21; 31) pour identi-

fier l'emplacement virtuel de la source de signaux à l'in-

térieur de la région de convergence des trajectoires en

ligne droite.

15) Appareil selon la revendication 14, caractérisé

en ce que le circuit précité comporte un appareil d'affi-

chage fonctionnant en réponse aux manifestations de sortie précitées des moyens de sélection de signaux précités pour

produire une indication de sortie des emplacements séquen-

tiels en fonction du temps desdites régions de convergen-

ce pour fournir une indication des surfaces des-sections

transversales internes du vaisseau présentant de l'inté-

rêt à des positions successives le long du trajet de

vaisseau présentant de l'intérêt.

16) Appareil selon la revendication 14, caractérisé

en ce que le circuit précité comporte des moyens de trai-

tement de données fonctionnant en réponse aux emplacements successifs, au cours de chacun des intervalles de temps,

desdites régions de convergence représentant une parti-

cule pour indiquer les surfaces des sections transversales à divers emplacements le long d'un vaisseau présentant de

l'intérêt de façon ainsi à déterminer l'existence, la gra-

vité et le siège de régions sténosées ou dilatées dudit

vaisseau sanguin.

17) Particules susceptibles d'être introduites

dans le corps d'un patient alors qu'un appareil de détec-

tion est positionné autour du corps du patient, caractéri-

sées en ce que ces particules produisent un rayonnement

gamma à un niveau d'énergie qui ne dépasse pas 300 keV.

18) Particules selon la revendication 17 caractéri-

sées en ce que leur composition contient de l'Irî9îm.