L'imagerie 3γ est une nouvelle technique d'imagerie médicale nucléaire qui a été proposée au laboratoire Subatech. Cette technique consiste à localiser tridimensionellement la position de la désintégration d'un radioisotope innovant émetteur (β+, γ), le 44Sc. Il s'agit pour cela d'associer la détection des deux photons gamma de 511 keV issus de la désintégration d'un positon, assurée par une couronne de détecteurs de tomogaphie à émission de positon, à la détection dutroisième photon par un télescope Compton au xénon liquide. La position de l'interaction entre le photon et le xénon, ainsi que l'énergie déposée, sont relevées grâce à la mesure du signal d'ionisation à l'aide d'un chambre MICROMEGAS (MICROMEsh GAseousStructure), tandis que le déclenchement de l'acquisition et la mesure du temps de l'interaction sont assurés parla détection du signal de scintillation. Le principe de la TPC est ainsi utilisé pour l'imagerie Compton.Afin de faire la preuve expérimentale de faisabilité de l'imagerie 3γ, un prototype de petite dimension, XEMIS (XEnon Medical Imaging System), a été développé.Cette thèse constitue une étape importante vers cette preuve de faisabilité. Les travaux qui y sont exposés portent sur la caractérisation de la réponse du détecteur pour un faisceau de gammas de 511 keV et sur l'analyse des données qui en sont issues. La mesure des résolutions en énergie et temporelle seront exposés, ainsi que celle de la pureté du xénon liquide.

L’imagerie 3γ est une nouvelle technique d’imagerie médicale nucléaire qui a été proposée au laboratoire Subatech. Cette technique consiste à localiser tridimensionellement la position de la désintégration d’un radioisotope innovant émetteur (β+, γ), le 44Sc. Il s’agit pour cela d’associer la détection des deux photons gamma de 511 keV issus de la désintégration d’un positon, assurée par une couronne de détecteurs de tomogaphie à émission de positon, à la détection dutroisième photon par un télescope Compton au xénon liquide. La position de l’interaction entre le photon et le xénon, ainsi que l’énergie déposée, sont relevées grâce à la mesure du signal d’ionisation à l’aide d’un chambre MICROMEGAS (MICROMEsh GAseousStructure), tandis que le déclenchement de l’acquisition et la mesure du temps de l’interaction sont assurés parla détection du signal de scintillation. Le principe de la TPC est ainsi utilisé pour l’imagerie Compton.Afin de faire la preuve expérimentale de faisabilité de l’imagerie 3γ, un prototype de petite dimension, XEMIS (XEnon Medical Imaging System), a été développé.Cette thèse constitue une étape importante vers cette preuve de faisabilité. Les travaux qui y sont exposés portent sur la caractérisation de la réponse du détecteur pour un faisceau de gammas de 511 keV et sur l’analyse des données qui en sont issues. La mesure des résolutions en énergie et temporelle seront exposés, ainsi que celle de la pureté du xénon liquide. / 3γ imaging is a new nuclear medical imaging technique which has been suggested by Subatech laboratory. This technique involves locating three-dimensional position of the decay of an innovative radioisotope (β+, γ) emitter the 44Sc. The principle consist in the detection of two photons of 511 keV gamma rays from the decay of the positron, provided by a PET ring detector, associated to the detection of the third photon by a Liquid xenon Compton telescope. The energy deposited in the interaction between the photon and xenon and its position are identified by measuring the ionization signal with a MICROMEGAS chamber (MicroMesh Gaseous Structure), while the trigger and time measurement of the interaction are provided by the detection of thescintillation signal. The principle of the TPC is thus usedto Compton imaging.In order to demonstrate experimentally the feasibility of imaging 3γ, a small prototype, XEMIS (Xenon MedicalImaging System) was developed. This thesis is an important step towards the proof of feasibility. In this work are exposed the characterization of the detector response for a beam of 511 keV gamma rays and the analysis of data derived from it. The measurement of energy and time resolutions will be presented, as well as the purity of the liquid xenon.

Une nouvelle technique de radiothérapie, l'hadronthérapie, irradie les tumeurs à l'aide d'un faisceau de protons ou d'ions carbone. L'hadronthérapie est très efficace pour le traitement du cancer car elle permet le dépôt d'une dose létale très localisée, en un point dit ‘pic de Bragg', à la fin du trajet des particules. La connaissance de la position du pic de Bragg, avec une précision millimétrique, est essentielle car l'hadronthérapie a prouvé son efficacité dans le traitement des tumeurs profondes, près des organes vitaux, ou radio-résistantes. Un enjeu majeur de l'hadronthérapie est le contrôle de la délivrance de la dose pendant l'irradiation. Actuellement, les centres de traitement par hadron thérapie effectuent un contrôle post-thérapeutique par tomographie par émission de positron (TEP). Les rayons gamma utilisés proviennent de l'annihilation de positons émis lors la désintégration bêta des isotopes radioactifs créés par le faisceau de particules. Ils ne sont pas en coïncidence directe avec le pic de Bragg. Une alternative est l'imagerie des rayons gamma nucléaires émis suites aux interactions inélastiques des hadrons avec les noyaux des tissus. Cette émission est isotrope, présentant un spectre à haute énergie allant de 100 keV à 20 MeV. La mesure de ces rayons gamma énergétiques dépasse la capacité des systèmes d'imagerie médicale existants. Une technique avancée de détection des rayons gamma, basée sur la diffusion Compton avec possibilité de poursuite des électrons diffusés, a été proposée pour l'observation des sources gamma en astrophysique (télescope Compton). Un dispositif, inspiré de cette technique, a été proposé avec une géométrie adaptée à l'Imagerie en Hadron Thérapie (IHT). Il se compose d'un diffuseur, où les électrons Compton sont mesurés et suivis (‘tracker'), et d'un calorimètre, où les rayons gamma sont absorbés par effet photoélectrique. Nous avons simulé un scénario d'hadronthérapie, la chaîne complète de détection jusqu'à la reconstruction d'événements individuels et la reconstruction d'une image de la source de rayons gamma. L'algorithme ‘Expectation Maximisation' (EM) à été adopté dans le calcul de l'estimateur du maximum de vraisemblance (MLEM) en mode liste pour effectuer la reconstruction d'images. Il prend en compte la réponse du système d'imagerie qui décrit le comportement complexe du détecteur. La modélisation de cette réponse nécessite des calculs, en fonction de l'angle d'incidence de tous les photons détectés, de l'angle Compton dans le diffuseur et de la direction des électrons diffusés. Dans sa forme la plus simple, la réponse du système a un événement est décrite par une conique, intersection du cône Compton et du plan dans lequel l'image est reconstruite. Une forte corrélation a été observée, entre l'image d'une source gamma reconstruite et la position du pic de Bragg. Les performances du système IHT dépendent du détecteur, en termes d'efficacité de détection, de résolution spatiale et énergétique, du temps d'acquisition et de l'algorithme utilisé pour reconstituer l'activité de la source de rayons gamma. L'algorithme de reconstruction de l'image a une importance fondamentale. En raison du faible nombre de photons mesurés (statistique de Poisson), des incertitudes induites par la résolution finie en énergie, de l'effet Doppler, des dimensions limitées et des artefacts générés par l'algorithme itératif MLEM, les images IHT reconstruites sont affectées d'artefacts que l'on regroupe sous le terme ‘bruit'. Ce bruit est variable dans l'espace et dépend du signal, ce qui représente un obstacle majeur pour l'extraction d'information. Ainsi des techniques de dé-bruitage ont été utilisées. Une stratégie de régularisation de l'algorithme MLEM (WREM) en mode liste a été développée et appliquée pour reconstituer les événements Compton. Cette proposition est multi-résolution sur une base d'ondelettes orthogonales. A chaque itération, une étape de seuillage des coefficients d'ondelettes a été intégrée. La variance du bruit a été estimée à chaque itération par la valeur médiane des coefficients de la sous-bande de haute fréquence. Cette approche stabilise le comportement de l'algorithme itératif, réduit l'erreur quadratique moyenne et améliore le contraste de l'image.

L'imagerie gamma est une technique qui permet la localisation spatiale de sources radioactives. Les différentes applications de cette technique couvrent les phases de démantèlement des installations nucléaires ou de gestion des déchets nucléaires, mais aussi la radioprotection ou la sécurité intérieure. L'utilisation de caméras gamma permet de réduire la dose reçue par les opérateurs, et, par conséquent, de respecter le principe ALARA. Il existe deux techniques d’imagerie permettant la localisation de radioéléments émetteurs gamma : l’imagerie à masque codé et l’imagerie Compton. L’imagerie à masque codé utilise la modulation spatiale du flux de photons gamma incidents par collimateur multi-trous placé entre la source et le détecteur. Elle présente l’avantage d’être extrêmement performante pour des émetteurs gamma « basses énergies », aussi bien en matière de sensibilité, qu’en matière de résolution angulaire. L'imagerie Compton, quant à elle, repose sur l’utilisation de la mécanique de diffusion Compton. L'énergie déposée pendant le processus de diffusion déterminera l'angle de diffusion, et les positions des interactions détermineront la direction des rayons gamma entrants. La position de la source radioactive peut ainsi être limitée à un cône. Si plusieurs cônes sont utilisés, alors la position où le plus grand nombre de cônes se chevauchent correspond à la position de la source radioactive. Une des limitations de cette technique concerne la localisation des émetteurs gamma « basses énergies », pour lesquels la résolution angulaire est fortement dégradée allant jusqu’à l’impossibilité complète de trouver la position. L’objectif de ces travaux est de développer un prototype d’imageur hybride associant les techniques d’imagerie à masque codé et d’imagerie Compton, afin de tirer profit des avantages de chacun des types d’imagerie. Les différents travaux menés, autour du détecteur pixellisé Timepix3, mais aussi en matière de développement d’algorithmes mathématiques, ont permis de proposer deux prototypes d’imageurs hybrides. Les résultats obtenus à l’issue de ces travaux de recherche ont permis de valider expérimentalement les performances d’un des prototypes d’imageurs et d’illustrer l’intérêt d’un système hybride. / Gamma imaging is a technique that allows the spatial localization of radioactive sources. The various applications of this technique cover decommissioning phases of nuclear facilities, nuclear waste management applications, but also radiation protection or Homeland Security. Using gamma camera reduces the dose received by operators and consequently contributes to the respect of the ALARA principle. There are two imaging techniques for the localization of gamma ray emitters: coded aperture imaging and Compton imaging. Coded aperture imaging relies on the spatial modulation of the incident gamma-ray flux by a multi-hole collimator placed between the detector and the radioactive source. It has the advantage of being extremely efficient for « low energy » gamma-ray emitters in terms of sensitivity and angular resolution. On the other hand, Compton imaging is based of the Compton scattering kinematic. The energy deposited during the scattering process will determine the scattering angle, and the positions of the interactions will determine the direction of the incoming gamma-ray. The position of the radioactive source can thus be limited to a cone. If several cones are used, then, the position where the greatest number of cones overlap corresponds to the position of the radioactive source. One limitations of this technique concerns the location of « low energy » gamma-ray emitters, for which the angular resolution is strongly degraded until it is completely not localizable. The objective of this work is to develop a prototype of hybrid imager that combines coded aperture and Compton imaging techniques in order to take advantage of each type of imaging. The different studies carried out, around the Timepix3 pixel detector, but also in the development of mathematical algorithms, have led to propose two prototypes of hybrid imager. The results obtained from this research work made it possible to validate experimentally the performance of one of the imager prototypes, and to illustrate the interest of a hybrid system.

La caméra Compton est un dispositif permettant d’imager les sources de rayonnement gamma. Ses avantages sont sa sensibilité (absence de collimateur mécanique) et la possibilité de reconstruire des images 3D avec un dispositif immobile. Elle également adaptée pour des sources à large spectre énergétique. Ce dispositif est un candidat prometteur en médecine nucléaire et en hadronthérapie. Ces travaux, financés par le projet européen ENVISION (European NoVel Imaging Systems for ION therapy) Coopération-FP7, portent sur le développement de méthodes de reconstruction d’images pour la caméra Compton pour la surveillance de la thérapie par ions. Celle-ci nécessite idéalement une reconstruction temps réel avec une précision millimétrique, même si le nombre de données acquises est relativement faible. Nous avons développé des méthodes analytiques et itératives. Leurs performances sont analysées dans le contexte d’acquisitions réalistes (géométrie de la caméra, nombre d’événements). Nous avons développé une méthode analytique de rétroprojection filtrée. Cette méthode est rapide mais nécessite beaucoup de données. Nous avons également développé des méthodes itératives utilisant un algorithme de maximisation de la fonction de vraisemblance. Nous avons proposé un modèle probabiliste pour l’estimation des éléments de la matrice système nécessaire à la reconstruction et nous avons développé différentes approches pour le calcul de ses éléments : l’une néglige les incertitudes de mesure sur l’énergie, l’autre les prend en compte en utilisant une distribution gaussienne. Nous avons étudié une méthode simplifiée utilisant notre modèle probabiliste. Plusieurs reconstructions sont menées à partir de données simulées, obtenues avec Geant4, mais provenant aussi de plusieurs prototypes simulés de caméra Compton proposés par l’Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL) et par le Centre de recherche de Dresde-Rossendorf en Allemagne. Les résultats sont prometteurs et des études plus poussées, à partir de données encore plus réalistes, viseront à les confirmer. / The Compton camera is a device for imaging gamma radiation sources. The advantages of the system lie in its sensitivity, due to the absence of mechanical collimator, and the possibility of imaging wide energy spectrum sources. These advantages make it a promising candidate for application in hadrontherapy. Funded by the european project ENVISION, FP7-Cooperation Work Program, this work deals with the development of image reconstruction methods for the Compton camera. We developed both analytical and iterative methods in order to reconstruct the source from cone-surface projections. Their performances are analyzed with regards to the context (geometry of the camera, number of events). We developped an analytical method using a Filtered BackProjection (FBP) formulation. This method is fast but really sensitive to the noise. We have also developped iterative methods using a List Mode-Maximum Likelihood Expectation Maximization (LM-MLEM) algorithm. We proposed a new probabilistic model for the computation of the elements of the system matrix and different approaches for the calculation of these elements neglecting or not the measurement uncertainties. We also implemented a simplified method using the probabilistic model we proposed. The novelty of the method also lies on the specific discretization of the cone-surface projections. Several studies are carried out upon the reconstructions of simulated data worked out with Geant4, but also simulated data obtained from several prototypes of Compton cameras under study at the Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL) and at the Research Center of Dresden-Rossendorf. Results are promising, and further investigations on more realistic data are to be done.