L’imagerie proton est étudiée comme alternative à la tomodensitométrie X pour la planification de traitement en hadronthérapie. En obtenant directement les pouvoirs d’arrêt relatifs des tissus, l’incertitude sur le parcours des particules pourrait être réduite. Un scanner à protons est constitué d’un calorimètre ou d’un détecteur de parcours afin d’obtenir l’information sur l’énergie déposée par chaque proton dans l’objet imagé et de deux ensembles de trajectographes enregistrant la position et direction de chaque particule en amont et en aval de l’objet. Ce travail concerne l’étude des données d’un scanner à protons et l’utilisation possible de toutes les informations enregistrées. Une étude de reconstruction d’image a permis de montrer que les informations sur le taux de transmission et sur la déviation de chaque particule peuvent être utilisées pour produire des images aux propriétés visuelles intéressantes pour le diagnostic. La preuve de concept de la possibilité d’une imagerie quantitative utilisant ces informations est présentée. Ces résultats sont une première étape vers l’imagerie proton utilisant toutes les données enregistrées. / Proton computed tomography is being studied as an alternative to X-ray CT imaging for charged particle therapy treatment planning. By directly mapping the relative stopping power of the tissues, the uncertainty on the range of the particles could be reduced. A proton scanner consists in a calorimeter or range-meter to obtain the information on the energy lost by each proton in the object, as well as two sets of tracking planes to record the position and direction of each particle upstream and downstream from the object. This work concerns the study of the outputs of a proton scanner and the possible use of all the recorded information. A reconstruction study made it possible to show that the information on the transmission rate and on the scattering of each particle can be used to produce images with visual properties that could be of interest for diagnostics. The proof of concept of the possibility of quantitative imaging using this information is also put forward. These results are the first step towards a clinical use of proton imaging with all the recorded data.

L'étalonnage de l’image tomodensitométrique X en pouvoirs d’arrêt relatif est source d'incertitudes pour la planification du traitement en protontherapie. L’imagerie proton permettrait d’obtenir directement les pouvoirs d’arrêt ou les épaisseurs équivalent-eau tout en maîtrisant les incertitudes sur la planification du traitement. Ce travail vise à caractériser et optimiser les performances du système de tomographie proton proposé dans le cadre d’une nouvelle approche faisceau à faisceau, composé d’un trajectographe et d’un range meter. La position et la largeur du faisceau obtenues avec le trajectographe ainsi que la modélisation matricielle de la réponse du range meter par simulation Monte Carlo combinée à la déconvolution de la courbe de Bragg résiduelle ont permis de reconstruire l’épaisseur équivalent-eau traversée pour chaque faisceau. L’évaluation de la qualité des images a permis de montrer que la méthode de déconvolution permettait d’obtenir des images dépourvues d’artefacts et d’estimer le parcours du proton avec une précision de l’ordre de 0,7%. Le travail présenté dans cette thèse démontre la faisabilité d’un tel système d’imagerie. / Calibration of computed tomography image in relative stopping power is a source of uncertainties for the proton therapy treatment planning. Proton imaging could directly obtain stopping powers or equivalent water thicknesses and control uncertainties in the treatment planning. In the context of a new pencil beam approach, this work aims to characterize and optimize the performances of a proton tomography system consisting of a tracker and a range meter. Beam position and width obtained with the tracker and the range meter response matrix modelling by Monte Carlo simulation combined with the unfolding method of the residual Bragg curve enable to reconstruct the water equivalent thickness for each beam. The evaluation of the reconstructed images quality shows that images are artefact free and the proton range is estimated with 0.7% of accurancy by using the unfolding method. This thesis demonstrates the feasibility of such an imaging system.