Le produit radiopharmaceutique est injecté au patient, puis capté préférentiellement par certains tissus ou organes, ce qui permet ainsi de les mettre en évidence.

En se désintégrant, le radioisotope β+ émet un positon. Celui-ci s’échappe du noyau et, après un parcours très bref de quelques millimètres, rencontre un électron appartenant à un autre atome des tissus. Cette rencontre électron – positon (matière – antimatière) entraîne la disparition des deux particules au cours de la réaction d’annihilation. Deux photons, émis symétriquement, emportent avec eux l’énergie des deux particules : ce sont deux rayons gamma de 511 keV. Ce sont ces photons, émis en même temps, que voit la couronne de détecteurs de la caméra TEP.

Les photons émis à 180° l’un de l’autre sont détectés par des détecteurs opposés (des cristaux scintillants : voir plus loin). Le système électronique n’autorise l’enregistrement des deux photons que s’ils sont détectés dans un intervalle de temps de 10 nanosecondes (10-9 s) : dans cette fenêtre, dite de coïncidence, les deux photons proviennent de la même réaction d’annihilation.

L’endroit précis de l’annihilation se trouve sur une ligne rejoignant des cristaux opposés. Grâce à l’enregistrement de ces lignes dans différentes directions, le système informatique de la TEP est en mesure de préciser où s’est produite l’annihilation, qui correspond à quelques millimètres près à celle du produit radiopharmaceutique.

A partir de ces données brutes, l’ordinateur reconstruit les images en 3 dimensions. Ainsi la caméra TEP permet de suivre la répartition d’un traceur dans l’organisme en fonction du processus biologique étudié.

Les détecteurs : des cristaux scintillants

Les détecteurs sont disposés en couronne, réalisant un véritable anneau autour du patient. Chaque détecteur comporte deux éléments : un cristal scintillant et un photomultiplicateur.

Un cristal scintillant est un matériau inorganique qui émet de la lumière suite à l’absorption de rayonnements. Lorsque les photons gamma de 511 keV percutent le cristal, les atomes du cristal sont « excités », c’est-à-dire qu’un électron passe à un niveau énergétique supérieur. La désexcitation, c’est-à-dire la redescente de l’électron à son niveau initial, s’accompagne de l’émission d’un photon visible (c’est un phénomène de fluorescence). Les photons émis par le cristal scintillant sont amplifiés par un photomultiplicateur (PM), puis interprétés pour produire l’image TEP.

Les principaux cristaux scintillants utilisés dans les caméras TEP pour détecter les photons de 511 keV sont le germanate de bismuth (BGO), l’iodure de sodium dopé au thallium (NaI(Tl)) et l’orthosilicate de lutétium (LSO).