Made available in DSpace on 2014-10-09T12:29:48Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:00:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 00359.pdf: 984679 bytes, checksum: 593fe375e9f99d58c6d0b375d059ec88 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IEA/D / Escola Politecnica, Universidade de Sao Paulo - POLI/USP

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Gamma-ray spectroscopy is undoubtedly the most effective tool for understanding the structure of the nucleus. In common with many other problems however, there is more information available that can be readily measured by standard experimental facilities. Therefore, this thesis investigates the potential for the use of a new detector material, CdZnTe, in nuclear physics applications. To evaluate the requirements of detection systems for nuclear physics applications, a y-ray spectroscopy experiment was performed to investigate neutron alignments in 100Mo, 104Ru and 108Pd using deep-inelastic reactions. This showed that a detector capable of detecting low energy (< 100 keV) X- rays without compromising y-ray detection efficiency could have significant benefit. A room temperature CdZnTe semiconductor detector could reasonably form part of a standard escape suppressed spectrometer. However, there is a substantially higher leakage current associated with room temperature semiconductor devices than standard cryogenically cooled semiconductor detectors. CdZnTe suffers from significant charge trapping, and therefore the rise time of the radiation induced pulses forms an important part of the signal analysis from such detectors. These two problems have implications on the design of preamplifier systems for CdZnTe detectors. For this reason, this thesis describes the design of optimised electronic systems for use with room-temperature operated CdZnTe detectors. Here, the focus is on the preamplifier design, and on practical ways of analysing noise performance of the preamplifier. A new preamplifier configuration with digital output has been developed, and a detailed signal-to-noise analysis performed. Such a circuit facilitates simultaneous measurement of both energy and pulse shape information.

Depuis son émergence, la médecine nucléaire ne cesse d’évoluer. A la fois diagnostique et thérapeutique, elle occupe une place importante dans la stratégie médicale moderne. L’imagerie nucléaire consiste après injection au patient d’un radiotraceur, à détecter le rayonnement émis. Elle donne accès quantitativement à la fonctionnalité des organes ou à la localisation de structures cibles telles que des lésions tumorales. Cette imagerie a naturellement intégré les procédures chirurgicales en particulier en cancérologie (en pré et per opératoire). On parle de chirurgie radioguidée. Cette dernière permet de localiser lors du geste chirurgical les structures radiomarquées devant être retirées.Les avancées technologiques au niveau des radiopharmaceutiques et en instrumentation sont à l’origine de nouvelles stratégies de radioguidages pouvant cibler de petites structures. L’imagerie par rayonnement gamma reste la plus répandue et la mieux adaptée. On assiste au développement de dispositifs d’imagerie gamma portables miniaturisés permettant un contrôle visuel en per opératoire. Ces dispositifs sont prometteurs mais doivent être évalués.Un état des lieux des différentes procédures en chirurgie radioguidée et des imageurs utilisés en clinique est réalisé dans cette thèse.Le laboratoire Imagerie et Modélisation en Neurobiologie et Cancérologie (UMR 8165) développe de longue date de nouvelles approches de détection miniaturisée pour les différents types de rayonnement. Parmi celles-ci le prototype de deuxième génération appelé TReCam.Cette mini gamma caméra présente un champ de vue de 4,9 x 4,9 cm2 et intègre des technologies d’imagerie directement issues de la physique des particules. Elle est formée d’un collimateur à trous parallèles, d’un scintillateur continu LaBr3 (Ce) lu par un photomultiplicateur multi-anode et son électronique. Le système d’acquisition donne au chirurgien un affichage en temps réel de l’image radioactive.Ce travail de thèse a consisté également à évaluer la place des imageurs portables en chirurgie radioguidée, en particulier mammaire, à travers l’évaluation de la procédure SNOLL (repérage par marquage ɣ de la tumeur (T) et des ganglions sentinelles (GS)) avec TreCam. Il a reposé sur trois parties.Un premier volet a visé l’optimisation des performances de TReCam pour favoriser la localisation de structures peu radioactives dans des temps d’exposition de l’ordre de la dizaine de secondes. Pour ce faire, différentes stratégies d’optimisation des performances ont été mises en place au niveau du collimateur, de l’électronique et des algorithmes de traitement (dont réseaux de neurones) pour améliorer l’homogénéité de la détection.Le deuxième volet visait à objectiver les performances cliniques de TReCam pour la procédure SNOLL et situer les limites de son exploitation. A l’aide de simulations menées sur la plateforme GATE et modélisant la scène opératoire au plus près de la réalité clinique, nous avons montré que TreCam peut détecter des GS jusqu’à 4,5 cm de profondeur et situé à 4 cm de la T. L’impact du temps de pose n’est pas important. Par contre, le choix de la bonne fenêtre en énergie est primordial.Enfin, le troisième volet concrétise l’ambition interdisciplinaire de cette thèse. Il est consacré à l’évaluation clinique de TReCam à travers l’étude de son apport à la procédure SNOLL mammaire. Cette étude prospective interventionnelle incluant de 47 patientes (22 procédures SNOLL utilisant TReCam aux différents temps de la procédure et 25 procédures SNOLL standard). Les résultats ont montré un intérêt qualitatif à l’utilisation de TReCam en apportant un confort visuel lors de la procédure en complément de la sonde monopixel.Ce travail a montré l’intérêt de tels imageurs en chirurgie radioguidée mais aussi situé leurs limites actuelles. Des efforts de développement doivent être poursuivis tant au niveau des détecteurs qu’au niveau des radiopharmaceutiques utilisés pour le repérage. / Since its emergence in the middle of the twentieth century, nuclear medicine continues to evolve. At the same time diagnostic and therapeutic, it occupies an increasingly important place in the modern medical strategy. Nuclear imaging consists of injecting the patient with a radio-tracer to detect the radiation emitted. It provides quantitative access to the functionality of organs or the location of target structures such as tumor lesions. This imaging has been naturally integrated into surgical procedures, particularly in oncology (preoperatively and then intraoperatively). It is called radio-guided surgery. It makes possible to locate the radioactive target which will be removed during surgery.Technological advances in radiopharmaceutical instrumentation are driving new strategies that can target small structures. Gamma-ray imaging remains the most widespread and the most suitable. We are witnessing the development of miniaturized portable gamma imaging devices that allow visual control during surgery. These devices are promising but need to be evaluated.A short state-of-the-art of the various procedures in radioguided surgery and imagers used clinically is carried out in this thesis.For many years, the Imaging and Modeling in Neurobiology and Oncology Laboratory (UMR 8165) has been developing new miniaturized detection approaches for different types of radiation. Among them is the second-generation prototype called TReCam.This mini gamma camera has a field of view of 4.9 x 4.9 cm2 and integrates imaging technologies directly from particle physics. It consists of a collimator with parallel holes, a continuous scintillator LaBr3 (Ce) read by a multi-anode photomultiplier (PSPMT) and its electronics. The acquisition system gives the surgeon a real-time display of the radioactive image.This thesis work also consisted in evaluating the place of portable imagers in radioguided surgery, in particular mammary surgery, through the evaluation of the SNOLL procedure (identification of the tumor (T) and the sentinel lymph nodes (GS) by γ-labeling) with TreCam. It is based on three parts.The first part aimed at optimizing the performance of TReCam to improve the localization of lowradioactive structures with exposure times of around 10 seconds. To do this, different performance optimization strategies have been implemented in the collimator, electronics and processing algorithms (including neural networks) to improve the homogeneity of the detection. These performances were compared to those of a prototype developed at IMNC and integrating a new generation of photodetectors: the SiPM.The second part aimed to objectify the clinical performance of TReCam in the SNOLL procedure and to situate the limits of its exploitation. Using simulations conducted on the GATE platform and modeling the operating scene closer to clinical reality, we have shown that TreCam can detect GS up to 4.5 cm deep and located 4 cm from the T. Impact of the exposure time is not important. On the other hand, choosing the right energy window is essential.Finally, the third part concretizes the interdisciplinary ambition of this thesis. It is devoted to clinical evaluation of TReCam through the study of its contribution to the SNOLL breast procedure. This prospective interventional study included 47 patients (22 SNOLL procedures using TReCam at different times of the procedure and 25 standard SNOLL procedures). The results showed a qualitative interest in the use of TReCam by bringing a visual comfort during the procedure and must be used in addition to the monopixel probes.This work has shown the interest of such imagers in radioguided surgery but also set their current limits. Development efforts must be pursued at the level of both detectors and radiopharmaceuticals used for tracking.