La tomographie d'émission par positrons (TEP) occupe une place de choix dans le domaine de l'imagerie moléculaire par sa capacité d'obtenir des informations ultrasensibles et quantitatives sur des processus métaboliques, physiologiques ou cellulaires. De plus, grâce à la similitude des génomes de l'homme et de petits rongeurs comme la souris, elle attire un grand intérêt dans le domaine de la recherche médicale, allant de la détection précoce de différentes formes de cancers jusqu'au développement de nouveaux médicaments. Toutefois, pour tirer profit des images acquises lors d'études animales, des scanners de plus en plus performants sont nécessaires. Le LabPETTM, le scanner TEP petit animal conçu par les efforts unis du Groupe de recherche en appareillage médicale de Sherbrooke (GRAMS) et du Centre d'imagerie moléculaire de Sherbrooke (CIMS) se démarque des autres scanners d'une part par son couplage individuel des photodiodes à avalanche à une paire de cristaux scintillateurs et d'autre part par une numérisation hâtive des signaux et un traitement numérique parallèle. Cela permet d'y implanter des algorithmes de traitement de signaux puissants. Le filtre de Wiener est une des techniques utilisées dans le LabPETTM pour optimiser à la fois le rendement et la capacité d'identification du cristal (IC) excité par le rayonnement émis dans le scanner par les radioisotopes. Les travaux de cette thèse portent, dans une première partie, sur le développement et l'implantation d'une version plus complète et ajustée de la méthode d'IC basée sur le filtre de Wiener. L'amélioration de cette technique porte sur l'utilisation des deux caractéristiques élémentaires des cristaux, soit leur constante de temps et leur rendement lumineux pour une IC plus précise et rapide. Une telle IC peut être réalisée même avec des cristaux possédant des caractéristiques très similaires, et pour des énergies très basses - jusqu'à 100 keV. Dans une deuxième partie, les performances de la méthode d'IC Wiener ont été évaluées en tenant compte de la contribution des différentes sources de bruit de la chaîne d'acquisition d'un scanner TEP. L'influence du bruit de multiplication de la photodiode à avalanche (un bruit non-stationnaire et poissonien), le bruit électronique (un bruit stationnaire et gaussien), ainsi que l'effet de l'utilisation des filtres de mise en forme rapide CR-RC n sur les résultats de l'algorithme d'IC ont été étudiés grâce au développement d'un simulateur de TEP qui imite les signaux de sortie du LabPETTM. Finalement, la possibilité d'utiliser la méthode d'IC Wiener pour discriminer des détecteurs multicouches, composés de trois et quatre cristaux, a été étudiée. L'implantation de cet algorithme dans un scanner TEP permettra à court terme d'améliorer les performances de démultiplexage des détecteurs et, de ce fait, la résolution spatiale axiale du système. Des techniques de modélisations du bruit non-stationnaire sont proposées pour rehausser les résultats de l'algorithme d'IC. En se basant sur les résultats de l'algorithme d'IC, il est possible de développer des techniques pour mesurer l'énergie déposée dans les cristaux et parvenir à une séparation des évènements Compton diffusés entre les cristaux d'un même détecteur comparativement aux autres diffusions Compton. A plus long terme, ceci permettra de bonifier la sensibilité du scanner.

La tomographie d'émission par positrons (TEP) est devenue un outil important dans les diagnostics de la médecine nucléaire. Avec le développement et l'utilisation de différents radiotraceurs qui permettent de visualiser les processus métaboliques et les structures organiques par des procédés non invasifs, les caméras TEP cliniques sont largement utilisées et fournissent une résolution spatiale et temporelle suffisante pour les diagnostics humains. De plus, la recherche en pharmacologie et en médecine sont d'autres champs d'applications en développement. En effet, par l'utilisation de la TEP dans les expérimentations avec des petits animaux, l'efficacité de nouveaux médicaments peut être facilement vérifiée. Cependant, le problème avec les tomographes TEP pour petits animaux est la nécessité d'une résolution spatiale et temporelle beaucoup plus grande que celle pour les examens cliniques sur les humains. Ceci requiert de nouveaux concepts de détecteurs et de traitement de signal dans le développement des systèmes TEP dédiés pour les petits animaux. En outre, ces concepts sont complémentés, pour résoudre ce problème, par la fusion d'une image morphologique (tomodensitométrie-TDM) à une image métabolique (TEP). Le LabPET[exposant TM], un scanner TEP dont l'aspect bimodal TEP/TDM est en développement. Ce scanner, dédié aux petits animaux, est développé à l'Université de Sherbrooke. Il utilise des photodiodes à avalanche (PDA) connectées individuellement à des scintillateurs et combinés à de nouveaux algorithmes numériques. Ce scanner vise à répondre aux besoins relatifs à la résolution spatiale et temporelle de l'imagerie TEP pour petits animaux. Dans cette thèse, de nouveaux algorithmes sont développés et testés afin d'augmenter la résolution spatiale et temporelle du LabPET. L'augmentation de la résolution spatiale est basée sur des algorithmes d'identification de cristaux, excités, au sein d'un détecteur multicristaux. Tandis que, l'augmentation de la résolution temporelle est basée sur un concept de déconvolution utilisant le résultat de l'identification de cristaux.

La performance d’un scanner TEP se mesure par sa sensibilité, son contraste et sa résolution spatiale. Cette dernière doit être idéalement uniforme dans tout le champ de vue utile (CDV) du scanner. Cependant, le problème de parallaxe dû à l’éloignement de la source du centre de CDV, entraîne une dégradation de la résolution spatiale radiale. Ce problème est très présent dans les scanners avec une grande densité de détecteurs et de petit diamètre notamment dans le LabPET II, le scanner en cours de développement à l’Université de Sherbrooke par le Groupe de recherche en appareillage médicale de Sherbrooke (GRAMS) et le Centre d’imagerie moléculaire de Sherbrooke (CIMS), avec [tilde]37 000 détecteurs pour un CDV de 16 cm de diamètre et 12 cm de longueur axiale. Chaque détecteur a une surface de 1,2[indice supérieur *] 1,2 mm[indice supérieur 2] et une longueur supérieure à 10 mm. La mesure de profondeur d’interaction (PDI) demeure très utile pour résoudre le problème de parallaxe. La PDI peut être réalisée par l’assemblage de deux cristaux en phoswich, tout en gardant la même longueur totale pour assurer une bonne efficacité de détection, et puis, le cristal dans lequel une interaction est faite sera déterminé à l’aide d’algorithme d’identification de cristaux. Pour le traitement des signaux issus des modules de détection, un ASIC de 64 canaux a été développé. L’ASIC utilise une nouvelle technique de mesure de temps à doubles seuils inspirée de la technique de mesure de temps au-dessus d’un seuil (ToT). Cette technique repose sur l’utilisation de deux discriminateurs à seuil afin de déterminer le temps d’arrivée du photon d’annihilation et son énergie. Le temps d’arrivée est estimé par le moment de discrimination du signal avec le premier discriminateur. Tandis que l’énergie du signal est calculée par la différence des moments de discrimination du signal avec le premier et le deuxième discriminateur. Cette différence de temps est non linéaire en fonction de l’énergie. Donc une correction d’énergie est faite pour déterminer le spectre d’énergie. Les seuils des discriminateurs sont méticuleusement choisis afin de minimiser l’erreur sur les temps de croisement. Cette méthode de ToT à doubles seuils est une technique innovatrice pour identifier les cristaux qui ont scintillés [i.e. scintillé] dans un scanner TEP. Avec une erreur inférieure à 5%, cette technique discrimine entre un LGS045ns et un LYSO40ns. Malgré le taux d’erreur élevé comparé à d’autres méthodes d’identification, cette technique possède l’avantage d’être facilement intégrable dans l’ASIC du LabPET II.