La tomographie d'émission par positrons (TEP) dédiée aux petits animaux est une technique d'imagerie métabolique très utile pour la recherche biomédicale en raison de la grande similitude du génome de la souris transgénique à celui de l'humain. Cette imagerie, de type fonctionnelle, est généralement couplée à une imagerie anatomique comme la tomodensitométrie (TDM) pour améliorer les diagnostics. C'est dans cette sphère de recherche que des travaux sont menés à Sherbrooke pour intégrer les deux modalités d'imagerie en utilisant les mêmes détecteurs et la même chaîne électronique basée sur des photodiodes à avalanche (PDA). Le premier scanner de cette génération est appelé le LabPET. Le LabPET est disponible avec 1536, 3072 ou 4608 PDA selon la longueur axiale. Malgré un rapport signal/bruit plus faible que d'autres capteurs, les PDA, couplées individuellement aux paires de cristaux, permettent d'obtenir une excellente résolution spatiale et un faible temps mort. Par contre, comme deux cristaux dont les constantes de décroissante sont différentes sont couplés à la même PDA, une identification est requise pour localiser l'interaction du rayonnement gamma et obtenir la bonne ligne de réponse. Actuellement, un filtre adaptatif avec un modèle unique de référence de la chaîne électronique pour tout le scanner permet de retrouver la fonction de transfert du cristal avec un taux d'erreur pouvant atteindre moins de 1%. Le modèle de référence contient toutes les informations connues a priori de la chaîne d'acquisition. Le modèle unique pour tout le scanner est correct comme preuve de faisabilité, mais s'avère en pratique non représentatif à cause de la variabilité des détecteurs et des composants électroniques. Un modèle non approprié dégrade l'identification globale des cristaux, ce qui affecte la résolution d'image. Ce projet de maîtrise vise à pallier ce problème en calculant automatiquement un modèle personnalisé pour chaque canal. Quatre algorithmes basés sur différentes minimisations de la fonction de coût, soit le filtre de Wiener, la maximisation de la ressemblance, la minimisation du biais temporel et la minimisation du taux d'erreur, ont été développés et caractérisés comme modèle individuel du canal. Le premier est un algorithme standard pour modéliser un signal, le second ressemble beaucoup au filtre de Wiener, mais avec quelques approximations en moins. Le troisième utilise de l'information connue a priori sur les cristaux et le dernier maximise directement l'identification des cristaux. Un taux d'erreur d'identification de cristaux pour le modèle unique de la chaîne d'acquisition dans le scanner LabPET 4-cm de Sherbrooke est d'environ 3,53 % pour une fenêtre en énergie de 350-650 keV. Les nouveaux modèles personnalisés des chaînes ont obtenu respectivement des taux d'erreurs de plus de 10 %, 3,66 %, 2,96 % et 1,45 % en fonction des algorithmes présentés précédemment. Ainsi, il devient évident qu'un modèle individuel et optimal pour chaque canal permet d'améliorer le taux d'erreur moyen pour le scanner, et ce, sans changer l'architecture matérielle ou logicielle, mais au dépend d'un temps de calibration plus longue.

Cette thèse s'inscrit dans la perspective d'augmentation de la sensibilité de scanners de tomographie d'émission par positrons (TEP) en baissant le seuil d'énergie pour intégrer les événements de faible énergie dans l'image TEP.Cette baisse du seuil nécessite une évaluation correcte des interactions multiples particulièrement dues à la diffusion Compton inter-cristal, afin d'assurer un comptage précis des coïncidences fortuites et vraies, et conséquemment une quantification exacte de la distribution de l'activité dans l'objet. Afin d'atteindre cet objectif, et vu la complexité des phénomènes de la diffusion Compton et des coïncidences fortuites, les développements ainsi que la validation de ce travail de recherche ont été assistés par le simulateur évolué GATE"Geant4 application for tomographic emission". D'abord un modèle de simulation GATE pour le scanner LabPET a été développé et validé théoriquement et expérimentalement. Ce modèle a ensuite servi à l'étude du mécanisme de la diffusion Compton inter-cristal et des coïncidences fortuites, notamment en lien avec la fixation du seuil d'énergie. Finalement, une technique d'estimation des fortuits tenant compte des interactions multiples a été développée et validée dans différentes conditions d'imagerie et pour différents seuils d'énergie, en utilisant principalement le modèle GATE du LabPET et aussi d'autres géométries de scanners. À l'opposé des méthodes revues dans la littérature, cette technique assure une faible erreur d'estimation des coïncidences fortuites (< 2%) même à très bas seuils d'énergie en présence de la diffusion Compton inter-cristal ou à très hautes activités, et permet d'atteindre une haute sensibilité de scanner.Cette thèse a fait l'objet de différentes communications scientifiques dans des conférences et journaux internationaux.

La recherche en imagerie moléculaire repose beaucoup sur les performances en tomographie d'émission par positrons (TEP). Les avancées technologiques en électronique ont permis d'améliorer la qualité de l'image fournie par les scanners TEP et d'en augmenter le champ d'application. Le scanner LabPET II, en développement à l'Université de Sherbrooke, permettra d'atteindre des résolutions spatiales inégalées.La conception de ce scanner requiert une très grande densité de détecteurs de l'ordre de 39 000 sur un anneau de 15 cm de diamètre par 12 cm de longueur axiale. D'autre part, l'Université de Sherbrooke mène également des travaux en tomodensitométrie (TDM) par comptage de photons individuels. Ces travaux s'insèrent dans un programme de recherche menant à réduire par un facteur 1,5 à 10 la dose de rayon X par rapport aux doses actuelles en TDM. Un circuit intégré (ASIC) a été développé pour supporter les performances attendues en TEP et en TDM. Cependant, la très grande densité de canaux rend inadéquate la vérification externe, sur circuits imprimés (PCB), des fonctionnalités des 64 canaux d'acquisition du circuit intégré actuellement en conception. Ainsi, un générateur de charge électronique a été conçu et intégré dans l'ASIC afin de pouvoir vérifier directement sur le circuit intégré ( On-Chip ) le fonctionnement de la chaine d'acquisition. Il permettra aussi de faire les tests pour le calcul de la résolution d'énergie et de la résolution en temps intrinsèque. La communication des données avec l'ASIC se fait par une ligne différentielle afin de maximiser l'immunité des signaux contre le bruit et d'assurer la vitesse de communication voulue.La norme Low-Voltage Differential Signaling (LVDS) a été choisie pour ce type de communication. En effet, trois récepteurs LVDS, basse consommation, ont été conçus et intégrés dans l'ASIC afin de recevoir les commandes de fonctionnement de l'ASIC à partir d'une matrice de portes programmables Field-Programmable Gate Array (FPGA) et de communiquer le signal d'horloge aux différents blocs. Pour augmenter la fiabilité du traitement effectué par l'électronique frontale, une mesure en température de l'ASIC est nécessaire. Un capteur de température basé sur la boucle à délais Delay-Locked Loop (DLL) a été conçu et intégré. En effet, la mesure de la température de l'ASIC permet d'intervenir en réalisant une compensation sur les mesures et en contrôlant le système de refroidissement en cas de sur-échauffement.

Par le passé, la collaboration entre le Centre d'Imagerie Médicale de Sherbrooke (CIMS) et le Groupe de Recherche en Appareillage Médicale de Sherbrooke (GRAMS) a permis de développer le scanner LabPET. Celui-ci fut le premier scanner de Tomographie d'Émission par Positrons (TEP) commercial utilisant des photodiodes à effet avalanche (PDA) comme détecteur. Depuis, cette collaboration a permis de faire évoluer le scanner afin d'améliorer cette modalité d'imagerie et d'y ajouter la tomodensitométrie (TDM). Les attentes pour la prochaine génération du scanner sont donc grandes. Cette nouvelle génération du scanner, le LabPET II, verra les deux modalités nativement intégrées et elles utiliseront la même chaine de détection. Ce scanner se verra doté de nouveaux détecteurs organisés en matrices de 64 cristaux de 1,1 par 1,1 mm². Cette nouvelle matrice, associée à ses deux matrices de 32 PDA, a prouvé sa capacité à fournir une résolution spatiale inférieure au millimètre. L'utilisation de ce nouveau module de détection pourra donc permettre au LabPET II d'être le premier scanner bimodal (TEP/TDM) commercial atteignant une résolution submillimétrique. Ce scanner permettra de s'approcher un peu plus de la résolution spatiale ultime en TEP tout en permettant une bonne localisation anatomique grâce à l'ajout d'une imagerie TDM rudimentaire. Pour atteindre ces objectifs, une intégration complète de l'électronique frontale a été nécessaire. Dans les versions précédentes, seuls les préamplificateurs de charge et les filtres de mise en forme étaient intégrés; dans cette nouvelle version, toute l'électronique analogique ainsi que la numérisation et les liens de communications devront être intégrés. Pour ce faire, la technique de temps de survol au-dessus d'un seuil (ou ToT pour «Time-over-Threshold») a été préférée à la solution utilisée par le LabPET I qui nécessitait un convertisseur analogique-numérique par canal. La contrepartie de cette solution est l'obligation de maintenir la tension de base à une valeur fixe et commune à tous les canaux. Le circuit de polarisation des PDA a aussi dû être intégré dans l'ASIC, car il occupait énormément de place sur la carte d'électronique frontale du LabPET 1. Dans ce mémoire seront décrits la conception, l'intégration et les tests de ces deux circuits du système. Ils ont démontré leur efficacité tout en n'occupant que très peu de place dans le circuit intégré spécialisé (ASIC) du «module de détection». Au vu des sources bibliographiques recensées, le module de détection du LabPET II devrait être l'un de ceux ayant la plus forte densité de canaux (environ 45 par centimètre carré) et le seul combinant électronique analogique faible bruit, numérique et haute tension (~450 V). La réalisation de cette nouvelle génération devrait permettre au partenariat CIMS/GRAMS de réaffirmer leur position de leader dans le domaine en améliorant les outils d'imagerie à la disposition des chercheurs en médecine préclinique.

L'imagerie moléculaire est un domaine permettant d'observer et d'analyser in vivo le fonctionnement cellulaire et tissulaire. Elle permet une meilleure compréhension des bioprocessus et par ricochet, le diagnostic, le traitement et le suivi de plusieurs maladies telles que les maladies neurologiques, cardiovasculaires ou les tumeurs cancéreuses. Le LabPET[indice supérieurTM] II, un scanner d'imagerie médicale TEP en développement au sein du Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (GRAMS), vise à atteindre une résolution spatiale submillimétrique. Ceci demande une densité de détecteurs de l'ordre de 37 000, répartis sur un anneau de 15 cm de diamètre par 12 cm de longueur axiale. Le but ultime est de pouvoir jumeler la tomodensitométrie (TDM) durant la même séance, et de combiner ainsi les informations métaboliques et les informations anatomiques tout en assurant une réduction par un facteur 1,5 à 5 la dose de rayon X par rapport aux doses actuelles en TDM. Ce défi est réparti sur plusieurs axes, parmi lesquels se trouve la chaîne de détection frontale analogique. Un circuit intégré (ASIC) a été développé pour atteindre les performances attendues en TEP et initier des travaux en TDM par comptage de photons individuels. La conception se base sur l'approche de mesures au-dessus d'un seuil (Time Over Threshold (TOT)). Ce choix impose un soin particulier au niveau de l'extraction de l'information temporelle des événements détectés. Ainsi, un convertisseur temps numérique a été conçu à partir d'une boucle à verrouillage de délai (DLL). Le convertisseur comporte deux composantes dont un compteur grossier synchronisé sur l'horloge de référence de 100 MHz (10 ns) et un autre compteur d'une résolution de 312.5 ps.

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.

Par le passé, la collaboration entre le Centre d'Imagerie Médicale de Sherbrooke (CIMS) et le Groupe de Recherche en Appareillage Médicale de Sherbrooke (GRAMS) a permis de développer le scanner LabPET. Celui-ci fut le premier scanner de Tomographie d'Émission par Positrons (TEP) commercial utilisant des photodiodes à effet avalanche (PDA) comme détecteur. Depuis, cette collaboration a permis de faire évoluer le scanner afin d'améliorer cette modalité d'imagerie et d'y ajouter la tomodensitométrie (TDM). Les attentes pour la prochaine génération du scanner sont donc grandes. Cette nouvelle génération du scanner, le LabPET II, verra les deux modalités nativement intégrées et elles utiliseront la même chaine de détection. Ce scanner se verra doté de nouveaux détecteurs organisés en matrices de 64 cristaux de 1,1 par 1,1 mm². Cette nouvelle matrice, associée à ses deux matrices de 32 PDA, a prouvé sa capacité à fournir une résolution spatiale inférieure au millimètre. L'utilisation de ce nouveau module de détection pourra donc permettre au LabPET II d'être le premier scanner bimodal (TEP/TDM) commercial atteignant une résolution submillimétrique. Ce scanner permettra de s'approcher un peu plus de la résolution spatiale ultime en TEP tout en permettant une bonne localisation anatomique grâce à l'ajout d'une imagerie TDM rudimentaire. Pour atteindre ces objectifs, une intégration complète de l'électronique frontale a été nécessaire. Dans les versions précédentes, seuls les préamplificateurs de charge et les filtres de mise en forme étaient intégrés; dans cette nouvelle version, toute l'électronique analogique ainsi que la numérisation et les liens de communications devront être intégrés. Pour ce faire, la technique de temps de survol au-dessus d'un seuil (ou ToT pour «Time-over-Threshold») a été préférée à la solution utilisée par le LabPET I qui nécessitait un convertisseur analogique-numérique par canal. La contrepartie de cette solution est l'obligation de maintenir la tension de base à une valeur fixe et commune à tous les canaux. Le circuit de polarisation des PDA a aussi dû être intégré dans l'ASIC, car il occupait énormément de place sur la carte d'électronique frontale du LabPET 1. Dans ce mémoire seront décrits la conception, l'intégration et les tests de ces deux circuits du système. Ils ont démontré leur efficacité tout en n'occupant que très peu de place dans le circuit intégré spécialisé (ASIC) du «module de détection». Au vu des sources bibliographiques recensées, le module de détection du LabPET II devrait être l'un de ceux ayant la plus forte densité de canaux (environ 45 par centimètre carré) et le seul combinant électronique analogique faible bruit, numérique et haute tension (~450 V). La réalisation de cette nouvelle génération devrait permettre au partenariat CIMS/GRAMS de réaffirmer leur position de leader dans le domaine en améliorant les outils d'imagerie à la disposition des chercheurs en médecine préclinique.

Des développements technologiques récents concernant les photodiodes à effet avalanche (PDA) ont mené à la conception et la fabrication d'un tout nouveau module de détection de radiation TEP (tomographie d'émission par positrons) destiné à l'imagerie moléculaire préclinique. Il est basé sur une matrice de 8 par 8 scintillateurs LYSO (ortho-silicate de lutétium dopé au cérium, cerium-doped lutetium yttrium orthosilicate ) individuellement couplés aux pixels de deux matrices monolithiques de 4 par 8 PDA. Cette avancée, pouvant amener la résolution spatiale d'un scanner à passer sous la barrière du mm, exige la conception d'un tout nouveau système d'acquisition de données. En effet, il faut adapter le système de lecture individuelle de chacun des pixels du bloc de détection de façon à satisfaire la multiplication par ~8, relativement à une version antérieure (le LabPET[indice supérieur TM] I), de la densité de pixels du futur scanner LabPET[indice supérieur TM] II. Conséquemment, le traitement de signal numérique ne peut être exclusivement embarqué dans les matrices de portes logiques programmable (field-programmable gate array , FPGA) du système d'acquisition, en considérant les aspects monétaires, d'espace occupé et de puissance consommée de l'ensemble du projet LabPET[indice supérieur TM] II. De façon à s'adapter à cette nouvelle réalité, un nouveau circuit intégré à application spécifique (application specific integrated circuit, ASIC) à signaux mixtes avec 64 canaux d'acquisition, fabriqué avec la technologie TSMC CMOS 0,18 [micromètre], a été conçu. L'ASIC utilise la méthode de temps au-dessus d'un seuil (time over threshold , ToT), déjà implantée dans des applications de physique des hautes-énergies, de manière à extraire numériquement l'information relative à un rayonnement interagissant avec la matrice de détection (l'énergie, le temps et le numéro de pixel de l'événement). Dans le cadre de ce projet, une architecture complexe de machines à états-finis, cadencée par une horloge de 100 MHz, a été implantée et elle permet à l'ASIC d'identifier le taux anticipé de 3 000 événements par seconde par canal. Ceci est réalisé en calculant en temps réel le paramètre ToT tout en assurant la calibration adéquate de chacune des chaînes d'acquisition. Le circuit intégré peut caractériser jusqu'à 2 Mévénements/s malgré son unique lien différentiel à bas voltage (low-voltage differential signaling, LVDS) de transfert de données et consomme environ 600 mW. L'ASIC a été développé en suivant un processus de conception de circuits intégrés à signaux mixtes. Il permet notamment de minimiser et de vérifier l'impact des indésirables effets parasites sur la circuiterie analogique et numérique de l'ensemble avant que les dessins de masques ne soient envoyés vers la fonderie pour fabriquer le circuit désiré.