Le mise en commun de la tomographie par émission de positons (TEP) et de la tomodensitométrie (TDM) sur des scanner bimodaux TEP/TDM a été un axe de recherche essentiel en imagerie ces vingt dernières années et a mené à un développement rapide de cette technique en clinique et en pré-clinique. Cependant, même si les deux modalités peuvent être juxtaposées sur le même statif, l’idée originelle de David W. Townsend prévoyait d’acquérir de manière simultanée les données TEP et TDM provenant du même champ de vue. Cela devrait permettre de connaître la position exacte du sujet lors de l’acquisition, et donc potentiellement de corriger de ses mouvements. C’est dans cet optique que nous avons développé le prototype ClearPET/XPAD : le premier scanner TEP/TDM simultané combinant les modules phoswich à scintillateurs du prototype ClearPET et un détecteur à pixels hybride développé au CPPM faisant face à une source de rayons X sur le même rotateur. Je présente les premières images TEP/CT simultanées de source ponctuelles, du fantôme Derenzo et d’une souris vivante acquises sur le prototype ClearPET/XPAD et discute les limites et les particularités de l’imagerie hybride TEP/TDM simultanée. / The combination of Positron Emission Tomography (PET) and X-ray Computerized Tomographie (CT) for PET/CT imaging has been an essential line of research in the previous decades and led to a rapid expansion of this technique in clinics and preclinics. However, even if the two modalities can be juxtaposed on the same gantry, the original concept invented by David W. Townsend foresaw to do both PET and CT imaging at the same time, while imaging a common Field-Of-View (FOV). This will allow to know the exact position of the animal during the scan and possibly to correct for the animal movements. Therefore we developed the ClearPET/XPAD prototype: the first simultaneous PET/CT scanner for mice combining on the same gantry ClearPET modules and the hybrid pixels camera XPAD3 facing an X-ray source. I present the first simultaneous PET/CT scans of point sources, of the Derenzo phantom and of a living mouse acquired with the ClearePET/XPAD prototype and discuss the limitations and prospects of simultaneous hybrid PET/CT imaging.

Les seize détecteurs MPX constituant le réseau ATLAS-MPX ont été placés à différentes positions dans le détecteur ATLAS et sa averne au CERN dans le but de mesurer en emps réel les champs de radiation produits ar des particules primaires (protons des faisceaux) et des particules secondaires (kaons, pions, g, protons) issues des collisions proton-proton. Des films de polyéthylène (PE) et de fluorure de lithium (6LiF) recouvrent les détecteurs afin d’augmenter leur sensibilité aux neutrons produits par les particules primaires et secondaires interagissant avec les matériaux présents dans l’environnement d’ATLAS. La reconnaissance des traces laissées par les particules dans un détecteur ATLAS-MPX se fait à partir des algorithmes du logiciel MAFalda (“Medipix Analysis Framework”) basé sur les librairies et le logiciel d’analyse de données ROOT. Une étude sur le taux d’identifications erronées et le chevauchement d’amas a été faite en reconstruisant les activités des sources 106Ru et 137Cs. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été mesurée à l’aide des sources 252Cf et 241AmBe (neutrons d’énergie moyenne de 2.13 et 4.08 MeV respectivement). La moyenne des efficacités de détection mesurées pour les neutrons produits par les sources 252C f et 241AmBe a été calculée pour les convertisseurs 6LiF et PE et donnent (0.8580 ± 0.1490)% et (0.0254 ± 0.0031)% pour LiF et (0.0510 ± 0.0061)% et (0.0591 ± 0.0063)% pour PE à bas et à haut seuil d’énergie respectivement. Une simulation du calcul de l’efficacité de détection des neutrons dans le détecteur MPX a été réalisée avec le logiciel GEANT4. Des données MPX correspondant aux collisions proton-proton à 2.4 TeV et à 7 TeV dans le centre de masse ont été analysées. Les flux détectés d’électrons et de photons sont particulièrement élevés dans les détecteurs MPX01 et MPX14 car ils sont plus près du point de collision. Des flux de neutrons ont été estimés en utilisant les efficacités de détection mesurées. Une corrélation avec la luminosité du LHC a été établie et on prédit que pour les collisions à 14 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité de 10^34 cm-1*s-1 il y aura environ 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 et 1.6x10^9 ± 6.3x10^7 particules détectées par les détecteurs MPX01 et MPX14 respectivement. / The sixteen detectors forming the ATLAS-MPX network have been placed in different positions inside the ATLAS detector and its cavern at CERN in order to measure, in real time, the radiation fields produced by primary particles (beam protons) and secondary particles (kaons, pions, photons, protons) resulting from the proton-proton collisions. Films of polyethylene (PE) and lithium fluoride (6LiF) cover the detectors so as to increase their sensitivity to neutrons produced by the primary and secondary particles interacting with the materials present in the ATLAS environment. The tracks identification in an ATLAS-MPX detector is obtained with the algorithms of the MAFalda software (Medipix Analysis Framework) based on the libraries and data-analysis software ROOT. A study on the mistag rate and blob overlap was made by reconstructing the activities of 106Ru and 137Cs sources. The fast neutron detection efficiency was measured with the help of 252C f and 241AmBe sources (neutrons with an average energy of 2.13 and 4.08 MeV, respectively). The detection efficiency measured for neutrons produced by 252Cf et 241AmBe sources was calculated for the 6LiF and PE converters. It averaged at low and high energy respectively (0.8580 ± 0.1490)% and (0.0254 ± 0.0031)% for LiF and (0.0510 ± 0.0061)% and (0.0591 ± 0.0063)% for PE. A simulation of the neutron detection efficiency calculation in the MPX detector was carried out with the GEANT4 software. MPX data corresponding to the proton-proton collisions at 2.4 TeV and 7 TeV at the center of mass were analyzed. The detected flux of electrons and photons are particularly high in the MPX01 and MPX14 detectors because they are closer to the point of collision. Fluxes of neutrons were estimated using the measured detection efficiencies. A correlation with the luminosity of the LHC was established. We predict that for 14 TeV collisions at the center of mass, with a luminosity of 1034 cm^2*s^1, the number of particle detected by MPX01 and MPX14 respectively will be about 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 and 1.6x10^9 ± 6.3x10^7.

Ma thèse de doctorat s’inscrit à l’interface entre la physique expérimentale et la biologie. Ce travail a été développé au sein de l’équipe imXgam du CPPM, qui a construit un prototype de micro-tomographie pour le suivi non-invasif du petit animal, équipé d’une caméra à pixels hybrides XPAD3 fonctionnant en mode comptage de rayons X. Le comptage de rayons X rendu possible par la technologie des pixels hybrides, permet de s’affranchir du bruit électronique et d’augmenter ainsi la détectabilité des tissus faiblement contrastés. Elle présente de plus la capacité d'appliquer à chaque pixel un seuil de détection en énergie permettant d’accéder à l’information spectrale des rayons X détectés et ouvre la voie au développement d’une méthode d’imagerie spectrale dite au K-edge, qui permet de différencier des agents de contraste particuliers. La caméra XPAD3 développée avec un capteur en Si présente une efficacité de détection qui limite son utilisation pour l’imagerie du vivant. Une caméra XPAD3 avec une meilleure efficacité au delà de 25 keV a été assemblée avec des capteurs en CdTe. Dans un premier temps, nous avons effectué une comparaison des caméras XPAD3/Si et XPAD3/CdTe en imagerie d’absorption standard et en imagerie au K-edge. Nous avons ensuite, en collaboration avec des biologistes de l’IBDM, assuré le suivi quantitatif et in vivo sur plusieurs mois, du développement de tumeurs hépatiques chez un modèle spécifique de souris et de l’efficacité d’un traitement ciblant les cellules tumorales. Enfin, nous avons développé un protocole d’acquisition spectrale à faible dose pour réaliser une tomographie spectrale in vivo d’un foie de souris en exploitant le K-edge du baryum. / My PhD thesis is at the interface between experimental physics and biology. This work has been developed within the imXgam team at CPPM, which has built a micro-computed tomography prototype for the non-invasive longitudinal monitoring of small animal, equipped with the XPAD3 hybrid pixel camera that operates in X-ray photon counting mode. X-ray photon counting that has been made possible by hybrid pixels, allows to free images from the electronic noise and thus to increase detectability of weakly contrasted tissues. Moreover, it provides the possibility to set an energy threshold for each pixel that allows to accessing spectral information on the detected X-rays and paving the way to the development of a spectral imaging modality also named K-edge imaging, which allows to differentiate selected contrast agents. Actually, the XPAD3 camera developed with a Si sensor presents a low detective efficiency that limits its use for biomedical imaging. A XPAD3 camera with a better efficiency above 25 keV has been assembled with high-Z CdTe sensors. Firstly, we have performed a comparison of XPAD3/Si and XPAD3/CdTe cameras for standard absorption CT and K-edge imaging. Then, in collaboration with a team of biologists from IBDM, we have carried out the quantitative and in vivo follow-up of hepatic tumour development in a specific mouse model over several months, and of the effectiveness of a treatment targeting these tumour cells. Finally, we have developed a protocol for low dose acquisition of spectral data to realize an in vivo spectral tomography of a mouse liver using the barium spectral signature.

Les seize détecteurs MPX constituant le réseau ATLAS-MPX ont été placés à différentes positions dans le détecteur ATLAS et sa averne au CERN dans le but de mesurer en emps réel les champs de radiation produits ar des particules primaires (protons des faisceaux) et des particules secondaires (kaons, pions, g, protons) issues des collisions proton-proton. Des films de polyéthylène (PE) et de fluorure de lithium (6LiF) recouvrent les détecteurs afin d’augmenter leur sensibilité aux neutrons produits par les particules primaires et secondaires interagissant avec les matériaux présents dans l’environnement d’ATLAS. La reconnaissance des traces laissées par les particules dans un détecteur ATLAS-MPX se fait à partir des algorithmes du logiciel MAFalda (“Medipix Analysis Framework”) basé sur les librairies et le logiciel d’analyse de données ROOT. Une étude sur le taux d’identifications erronées et le chevauchement d’amas a été faite en reconstruisant les activités des sources 106Ru et 137Cs. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été mesurée à l’aide des sources 252Cf et 241AmBe (neutrons d’énergie moyenne de 2.13 et 4.08 MeV respectivement). La moyenne des efficacités de détection mesurées pour les neutrons produits par les sources 252C f et 241AmBe a été calculée pour les convertisseurs 6LiF et PE et donnent (0.8580 ± 0.1490)% et (0.0254 ± 0.0031)% pour LiF et (0.0510 ± 0.0061)% et (0.0591 ± 0.0063)% pour PE à bas et à haut seuil d’énergie respectivement. Une simulation du calcul de l’efficacité de détection des neutrons dans le détecteur MPX a été réalisée avec le logiciel GEANT4. Des données MPX correspondant aux collisions proton-proton à 2.4 TeV et à 7 TeV dans le centre de masse ont été analysées. Les flux détectés d’électrons et de photons sont particulièrement élevés dans les détecteurs MPX01 et MPX14 car ils sont plus près du point de collision. Des flux de neutrons ont été estimés en utilisant les efficacités de détection mesurées. Une corrélation avec la luminosité du LHC a été établie et on prédit que pour les collisions à 14 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité de 10^34 cm-1*s-1 il y aura environ 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 et 1.6x10^9 ± 6.3x10^7 particules détectées par les détecteurs MPX01 et MPX14 respectivement. / The sixteen detectors forming the ATLAS-MPX network have been placed in different positions inside the ATLAS detector and its cavern at CERN in order to measure, in real time, the radiation fields produced by primary particles (beam protons) and secondary particles (kaons, pions, photons, protons) resulting from the proton-proton collisions. Films of polyethylene (PE) and lithium fluoride (6LiF) cover the detectors so as to increase their sensitivity to neutrons produced by the primary and secondary particles interacting with the materials present in the ATLAS environment. The tracks identification in an ATLAS-MPX detector is obtained with the algorithms of the MAFalda software (Medipix Analysis Framework) based on the libraries and data-analysis software ROOT. A study on the mistag rate and blob overlap was made by reconstructing the activities of 106Ru and 137Cs sources. The fast neutron detection efficiency was measured with the help of 252C f and 241AmBe sources (neutrons with an average energy of 2.13 and 4.08 MeV, respectively). The detection efficiency measured for neutrons produced by 252Cf et 241AmBe sources was calculated for the 6LiF and PE converters. It averaged at low and high energy respectively (0.8580 ± 0.1490)% and (0.0254 ± 0.0031)% for LiF and (0.0510 ± 0.0061)% and (0.0591 ± 0.0063)% for PE. A simulation of the neutron detection efficiency calculation in the MPX detector was carried out with the GEANT4 software. MPX data corresponding to the proton-proton collisions at 2.4 TeV and 7 TeV at the center of mass were analyzed. The detected flux of electrons and photons are particularly high in the MPX01 and MPX14 detectors because they are closer to the point of collision. Fluxes of neutrons were estimated using the measured detection efficiencies. A correlation with the luminosity of the LHC was established. We predict that for 14 TeV collisions at the center of mass, with a luminosity of 1034 cm^2*s^1, the number of particle detected by MPX01 and MPX14 respectively will be about 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 and 1.6x10^9 ± 6.3x10^7.

Les détecteurs ATLAS-MPX sont des détecteurs Medipix2-USB recouverts de convertisseurs de fluorure de lithium et de polyéthylène pour augmenter l’efficacité de détection des neutrons lents et des neutrons rapides respectivement. Un réseau de quinze détecteurs ATLAS-MPX a été mis en opération dans le détecteur ATLAS au LHC du CERN. Deux détecteurs ATLAS-MPX de référence ont été exposés à des sources de neutrons rapides 252 Cf et 241 AmBe ainsi qu’aux neutrons rapides produits par la réaction 7Li(p, xn) pour l’étude de la réponse du détecteur à ces neutrons. Les neutrons rapides sont principalement détectés à partir des protons de recul des collisions élastiques entre les neutrons et l’hydrogène dans le polyéthylène. Des réactions nucléaires entre les neutrons et le silicium produisent des particules-α. Une étude de l’efficacité de reconnaissance des traces des protons et des particules-α dans le détecteur Medipix2-USB a été faite en fonction de l’énergie cinétique incidente et de l’angle d’incidence. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été évaluée à deux seuils d’énergie (8 keV et 230 keV) dans les détecteurs ATLAS-MPX. L’efficacité de détection des neutrons rapides dans la région du détecteur couverte avec le polyéthylène augmente en fonction de l’énergie des neutrons : (0.0346 ± 0.0004) %, (0.0862 ± 0.0018) % et (0.1044 ± 0.0026) % pour des neutrons rapides de 2.13 MeV, 4.08 MeV et 27 MeV respectivement. L’étude pour déterminer l’énergie des neutrons permet donc d’estimer le flux des neutrons quand le détecteur ATLAS-MPX est dans un champ de radiation inconnu comme c’est le cas dans le détecteur ATLAS au LHC. / ATLAS-MPX detectors are Medipix2-USB detectors covered with lithium fluoride and polyethylene converters in order to increase the detection efficiency of slow neutrons and fast neutrons respectively. A network of fifteen ATLAS-MPX detectors has been put in operation in the ATLAS detector at CERN-LHC. Two reference detectors ATLAS-MPX were exposed to two fast neutrons sources 252 Cf and 241 AmBe as well as fast neutrons produced by the reaction 7 Li( p, xn) for the study of the detector response to those neutrons. Fast neutrons are primarily detected by recoil protons from elastic collisions between neutrons and hydrogen in the polyethylene. In addition, α -particles are produced by nuclear reactions between neutrons and silicon. A study of the efficiency of proton and alpha particle track recognition of Medipix2-USB was done as a function of the initial kinetic energy and incidence angle. The detection efficiency of fast neutrons was evaluated for two energy thresholds (8 keV and 230 keV) of ATLAS-MPX detector. The fast neutron detection efficiency of the detector region covered in polyethylene increases with neutron energy: (0.0346 ± 0.0004) %, (0.0862 ± 0.0018) % and (0.1044 ± 0.0026) % for fast neutrons of 2.13 MeV, 4.08 MeV and 27 MeV respectively. The method for the measurement of neutron energy allows an estimate of the neutron flux when the ATLAS MPX detector is in an unknown radiation field as it is the case in the ATLAS detector at LHC.

Les détecteurs ATLAS-MPX sont des détecteurs Medipix2-USB recouverts de convertisseurs de fluorure de lithium et de polyéthylène pour augmenter l’efficacité de détection des neutrons lents et des neutrons rapides respectivement. Un réseau de quinze détecteurs ATLAS-MPX a été mis en opération dans le détecteur ATLAS au LHC du CERN. Deux détecteurs ATLAS-MPX de référence ont été exposés à des sources de neutrons rapides 252 Cf et 241 AmBe ainsi qu’aux neutrons rapides produits par la réaction 7Li(p, xn) pour l’étude de la réponse du détecteur à ces neutrons. Les neutrons rapides sont principalement détectés à partir des protons de recul des collisions élastiques entre les neutrons et l’hydrogène dans le polyéthylène. Des réactions nucléaires entre les neutrons et le silicium produisent des particules-α. Une étude de l’efficacité de reconnaissance des traces des protons et des particules-α dans le détecteur Medipix2-USB a été faite en fonction de l’énergie cinétique incidente et de l’angle d’incidence. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été évaluée à deux seuils d’énergie (8 keV et 230 keV) dans les détecteurs ATLAS-MPX. L’efficacité de détection des neutrons rapides dans la région du détecteur couverte avec le polyéthylène augmente en fonction de l’énergie des neutrons : (0.0346 ± 0.0004) %, (0.0862 ± 0.0018) % et (0.1044 ± 0.0026) % pour des neutrons rapides de 2.13 MeV, 4.08 MeV et 27 MeV respectivement. L’étude pour déterminer l’énergie des neutrons permet donc d’estimer le flux des neutrons quand le détecteur ATLAS-MPX est dans un champ de radiation inconnu comme c’est le cas dans le détecteur ATLAS au LHC. / ATLAS-MPX detectors are Medipix2-USB detectors covered with lithium fluoride and polyethylene converters in order to increase the detection efficiency of slow neutrons and fast neutrons respectively. A network of fifteen ATLAS-MPX detectors has been put in operation in the ATLAS detector at CERN-LHC. Two reference detectors ATLAS-MPX were exposed to two fast neutrons sources 252 Cf and 241 AmBe as well as fast neutrons produced by the reaction 7 Li( p, xn) for the study of the detector response to those neutrons. Fast neutrons are primarily detected by recoil protons from elastic collisions between neutrons and hydrogen in the polyethylene. In addition, α -particles are produced by nuclear reactions between neutrons and silicon. A study of the efficiency of proton and alpha particle track recognition of Medipix2-USB was done as a function of the initial kinetic energy and incidence angle. The detection efficiency of fast neutrons was evaluated for two energy thresholds (8 keV and 230 keV) of ATLAS-MPX detector. The fast neutron detection efficiency of the detector region covered in polyethylene increases with neutron energy: (0.0346 ± 0.0004) %, (0.0862 ± 0.0018) % and (0.1044 ± 0.0026) % for fast neutrons of 2.13 MeV, 4.08 MeV and 27 MeV respectively. The method for the measurement of neutron energy allows an estimate of the neutron flux when the ATLAS MPX detector is in an unknown radiation field as it is the case in the ATLAS detector at LHC.

L'hypothèse d'une quatrième famille de fermions - les particules de matière décrites au sein du Modèle Standard (MS) de la physique des particules - est un des plus simples modèles de nouvelle physique encore non exclu et accessible au démarrage du Large Hadron Collider (LHC) - le plus puissant collisionneur hadronique au monde depuis 2009. Cette thèse s'intéresse à la production d'une paire de quarks t' se désintégrant chacun en un boson W et un quark b. La recherche se focalise sur le domaine des très hautes masses, où la production peut être distinguée de la production de bruit de fond d'une paire de quark top en exploitant la cinématique des produits de désintégration des collisions proton-proton produites au centre du détecteur ATLAS. Nous présentons une stratégie originale exploitant en particulier la collimation des produits de la désintégration des bosons W de très grande impulsion transverse, permettant leur reconstruction explicite. L'analyse s'appuie sur un travail de mise en oeuvre des algorithmes d'identification des jets résultants de la fragmentation des quarks de saveur b. Ces algorithmes se basent sur la reconstruction très précise de la trajectoire des particules chargées, des vertex d'interactions primaires et des vertex de désintégrations secondaires présents au sein des jets. L'étiquetage-b permet à l'expérience ATLAS d'améliorer la (re)découverte du MS, ainsi que la sensibilité à la nouvelle physique. Il sera ainsi d'une grande importance pour les futures années d'opération du LHC, raison pour laquelle nous présentons une étude de prospective de ses performances attendues avec l'extension du détecteur à pixels d'ATLAS - détecteur clé de l'étiquetage-b - dénommée IBL et actuellement en construction. Notre recherche de quark t' quant à elle a permis d'établir une limite inférieure à la masse du quark t' de 656 GeV à partir des 4.7 fb^−1 de données 7 TeV collectées en 2011, ce qui est la meilleure limite à ce jour en recherche directe, avec également une interprétation dans le cadre du modèle de quarks dits 'vecteurs'.