L'autoradiographie b est une technique d'imagerie médicale qui permet de visualiser la localisation de molécules marquées avec des traceurs radioactifs émetteurs b dans des coupes histologiques. Cette technique est largement employée dans les domaines de la biologie cellulaire ou de la pharmacologie. Le développement de la technologie des détecteurs gazeux à structure PIM au laboratoire Subatech a permis d'aboutir à la conception d'un appareil d'imagerie b de très haute résolution spatiale (20 μm FWHM) réalisant des images d'une demi lame histologique sur des émetteurs de basses énergies comme du 3H ou de 14C. Le développement récent d'une nouvelle approche concernant la méthode de reconstruction du point d'émission permet d'élargir le champ d'application aux émetteurs de haute énergie tels que l'131I, le 18F ou le 46Sc. Un nouveau dispositif de grande surface (18x18 cm2), compact et conçu pour l'utilisateur final a été mis au point. Il permet désormais l'imagerie de 10 lames de microscope simultanément. Grâce à une solution de multi-modalité, il conserve les bonnes caractéristiques de résolutions spatiales acquises précédemment en l'étendant sur une grande surface d'analyse. Différentes formes d'échantillons comme des coupes sur lames de microscope ou sur rubans adhésifs peuvent ainsi être analysés. Les simulations et les expérimentations menées durant cette thèse ont permis d'aboutir à un agencement optimal des structures composant le détecteur. La caractérisation et les résultats ont montré que la structure PIM est une structure à considérer dans le cadre de l'imagerie b de haute résolution sur différents types d'émetteurs.

Dans ce travail nous avons étudié le problème du rapport signal à bruit (RSB) en IRM à très bas champ magnétique et exploré des applications potentielles en utilisant du gaz 3He hyperpolarisé. Nous avons comparé deux méthodes d'élargissement de bande passante sans perte de RSB : une contre-réaction et un couplage inductif de la détection. Nous avons mis en œuvre la contre-réaction, plus appropriée à très bas champ. Des mesures d'atténuation par diffusion dans un gaz d'3He en géométrie cylindrique ont été faites par échos multiples de spin ou de gradient dans une large gamme de conditions correspondant à la diffusion dans les voies aériennes des poumons. Un bas champ permet d'utiliser des faibles gradients sur des durées longues, sans influence de la susceptibilité des matériaux. Nos mesures fournissent un ensemble de données destiné à une comparaison directe avec des modèles théoriques et d'autres résultats publiés. Une nouvelle séquence (Slow Low Angle Shot, SLASH) est proposée pour l'imagerie de gaz à bas champ. Des séries d'images à 2D dans des fantômes montrent qu'elle offre une résolution d'image et un RSB meilleurs que pour une séquence FLASH. Par ailleurs, des cartes de diffusion apparente dans des poumons fixés de petit animal ont été obtenues à partir d'images 2D et 3D. Les résultats sont compatibles avec ceux des mesures globales de diffusion par échos de spin dans ces mêmes poumons, et sont similaires aux résultats in vivo publiés. Ces poumons fixés sont donc un fantôme commode et pertinent pour des études méthodologiques. Les mesures de diffusion en bas champ, insensibles aux effets de susceptibilité, ont été faites sur une large gamme de temps de diffusion.

Les simulations de Monte-Carlo, bien que consommatrices en temps de calcul, restent un outil puissant qui permet d'évaluer les méthodes de correction des effets physiques en imagerie médicale.<br />Nous avons optimisé et validé une méthode de reconstruction baptisée F3DMC (Fully 3D Monte Carlo) dans laquelle les effets physiques perturbant le processus de formation de l'image en tomographie d'émission monophotonique sont modélisés par des méthodes de Monte-Carlo et intégrés dans la matrice-système. Le logiciel de simulation de Monte-Carlo utilisé est GATE. Nous avons validé GATE en SPECT en modélisant la gamma-caméra (Philips AXIS) utilisé en routine clinique. Des techniques de seuillage, filtrage par analyse en composantes principales et de reconstruction ciblée (régions fonctionnelles, régions hybrides) ont été testées pour améliorer la précision de la matrice-système et réduire le nombre de photons ainsi que le temps de calcul nécessaires. Les infrastructures de la grille EGEE ont été utilisées pour déployer les simulations GATE afin de réduire leur temps de calcul. Les résultats obtenus avec F3DMC sont comparés avec les méthodes de reconstruction (FBP, ML-EM, ML-EMC) pour un fantôme simulé et avec la méthode OSEM-C pour un fantôme réel. Les résultats de cette étude montrent que la méthode F3DMC ainsi que ses variantes permettent d'améliorer la restauration des rapports d'activité et le rapport signal sur bruit. L'utilisation de la grille de calcul EGEE a permis d'obtenir un gain de l'ordre de 300 en temps de calcul. Dans la suite, ces résultats doivent être confirmés par des études sur des fantômes complexes et des patients et ouvrent la voie vers une méthode de reconstruction unifiée, pouvant être appliquée aussi bien en SPECT qu'en PET.

Ces travaux de thèse portent sur l'étude de nouvelles modalités de guidage de la thérapie transcrânienne par ultrasons focalisés, technique non invasive particulièrement prometteuse pour le traitement de troubles neurologiques tels que le tremblement essentiel ou le tremblement parkinsonien. Une nouvelle technique d'imagerie par résonance magnétique a tout d'abord été utilisée pour imager l'emplacement du faisceau ultrasonore produit par un prototype préclinique : les déplacements induits par les ultrasons dans une cervelle de veau ex vivo ont été imagés sans distorsion à l'aide d'une séquence d'écho de spin accélérée, avec un dépôt d'énergie jusqu'à quatre fois inférieur aux techniques existantes. Nous avons ensuite étudié les effets directs des ultrasons sur l'activité cérébrale par neuromodulation ultrasonore in vivo, de façon similaire à la stimulation magnétique transcrânienne, mais avec les capacités de ciblage millimétriques des ultrasons focalisés. Des expériences ont été tout d'abord menées sur un modèle de rat anesthésié afin d'étudier la pression seuil pouvant induire un effet moteur. Le champ acoustique simulé dans la tête de rat est fortement affectée par des réverbérations, ce qui doit être pris en compte pour l'évaluation in situ des paramètres acoustiques de neurostimulation, en particulier à basse fréquence et pour les petits animaux. Enfin, pour la première fois, nous avons montré que les ultrasons focalisés de faible intensité pouvaient moduler de façon causale le comportement d'un primate non humain éveillé: le temps de latence d'une tâche d'anti-saccade est retardé de façon significative par des ultrasons focalisés dans le champ visuel frontal.

Durant la dernière décennie, les développements technologiques en radiothérapie ont transformé considérablement les techniques de traitement. Les nouveaux faisceaux non standard améliorent la conformité de la dose aux volumes cibles, mais également complexifient les procédures dosimétriques. Puisque des études récentes ont démontré l’invalidité de ces protocoles actuels avec les faisceaux non standard, un nouveau protocole applicable à la dosimétrie de référence de ces faisceaux est en préparation par l’IAEA-AAPM. Le but premier de cette étude est de caractériser les facteurs responsables des corrections non unitaires en dosimétrie des faisceaux non standard, et ainsi fournir des solutions conceptuelles afin de minimiser l’ordre de grandeur des corrections proposées dans le nouveau formalisme de l’IAEA-AAPM. Le deuxième but de l’étude est de construire des méthodes servant à estimer les incertitudes d’une manière exacte en dosimétrie non standard, et d’évaluer les niveaux d’incertitudes réalistes pouvant être obtenus dans des situations cliniques. Les résultats de l’étude démontrent que de rapporter la dose au volume sensible de la chambre remplie d’eau réduit la correction d’environ la moitié sous de hauts gradients de dose. Une relation théorique entre le facteur de correction de champs non standard idéaux et le facteur de gradient du champ de référence est obtenue. En dosimétrie par film radiochromique, des niveaux d’incertitude de l’ordre de 0.3% sont obtenus par l’application d’une procédure stricte, ce qui démontre un intérêt potentiel pour les mesures de faisceaux non standard. Les résultats suggèrent également que les incertitudes expérimentales des faisceaux non standard doivent être considérées sérieusement, que ce soit durant les procédures quotidiennes de vérification ou durant les procédures de calibration. De plus, ces incertitudes pourraient être un facteur limitatif dans la nouvelle génération de protocoles. / During the past decade, technological developments in radiation therapy have considerably transformed treatment techniques. Novel nonstandard beams improve target dose conformity, but increase the complexity of dosimetry procedures. As recent studies demonstrated the invalidity of these protocols to nonstandard beams, a new protocol applicable to nonstandard beam reference dosimetry is in preparation by the IAEA-AAPM. The first goal of the study is to characterize the factors responsible for non-unity corrections in nonstandard beam dosimetry, and provide conceptual solutions to minimize the magnitude of the corrections. The second goal is to provide methods to estimate uncertainties accurately in nonstandard beam dosimetry, and estimate uncertainty levels achievable in typical clinical situations. Results of this study show that reporting dose to the sensitive volume of the chamber filled with water reduces the correction factor approximately by half under high gradients. A theoretical expression of correction factor is obtained for ideal nonstandard reference fields. In radiochromic film dosimetry, levels of uncertainty of the order of 0.3% are achieved with strict procedures and show great potential for nonstandard beam measurements. Results also suggest that experimental uncertainties in nonstandard beam are an important issue to consider both during daily QA routine and reference dosimetry, and could be a limiting factor in the new generation of protocols.

Les techniques de radiothérapie externe ont beaucoup évolué ces vingt dernières années. Pour les photons, le développement d'outils comme les collimateurs multilames, de machines comme le cyberknife ou la tomothérapie, ont permis d'améliorer la conformation des traitements au volume tumoral et de diminuer la dose maximale aux tissus sains. Dans un autre registre, l'usage de la protonthérapie s'élargi t dans tous les pays et l'hadronthérapie par ions carbone commence également à prendre son essor. Si les techniques s'améliorent, les exigences de contrôle de la dose administrée aux patients sont toujours les mêmes. Ce document expose, en premier lieu, les tenants et aboutissants des différentes techniques de radiothérapie externe : traitements photons, protonthérapie et hadronthérapie. Partant du fondement des exigences cliniques, il établit les grandeurs qu'il faut mesurer pour garantir la qualité du traitement pour les différentes modalités envisagées. Il expose ensuite quelques réalisations, basées sur des cahiers des charges précis et rigoureux, dans le domaine du contrôle et de la mesure des faisceaux délivrés par les équipements de radiothérapie externe. Deux techniques instrumentales sont particulièrement développées, la dosimétrie par scintillateurs plastiques pour le contrôle des faisceaux de photons et la dosimétrie par chambre d'ionisations appliquée à la protonthérapie ou aux expériences de radiobiologie menées sur l'installation de GANIL. Les analyses et les perspectives, basées sur les évolutions récentes des machines de traitement, sont livrées en conclusion et pourront servir de guide pour les développements instrumentaux futurs.

L'étude des effets biologiques des radiations ionisantes à l'échelle de la cellule individuelle et en particulier sur l'ADN du noyau cellulaire reste un enjeu majeur de la radiobiologie actuelle. L'objectif principal des recherches actuelles est de déterminer quels peuvent être les effets biologiques délétères des radiations ionisantes pour la santé humaine, en particulier dans le domaine des faibles doses de radiation. Afin d'étudier précisément la réponse des cellules aux radiations ionisantes, de nombreuses études expérimentales des effets des radiations ionisantes sur les cellules, tissus et organismes biologiques aux basses énergies ont accumulées de grandes quantités de données de qualité sur la réponse de cellules aux radiations. Il existe également de nombreux modèles semi-empiriques de survie cellulaire qui incorporent des paramètres biologiques et physiques. En parallèle, des stochastiques basées sur la technique " Monte Carlo " pour modéliser les processus élémentaires en physique, chimie et biologie sont en cours de développement. L'outil Geant4 développé dès 1993 (CERN et KEK) en utilisant des techniques informatiques de dernière génération (C++) permet à l'utilisateur de construire une simulation complète grâce à de nombreuses fonctionnalités : formes géométriques, matériaux, particules élémentaires, processus physiques électromagnétiques et hadroniques, visualisation, analyse de données, interactivité et extensibilité... Cependant, Geant4 présente un certain nombre de limitations pour la simulation des effets biologiques des radiations ionisants à l'échelle subcellulaire : les modèles standard ne prennent pas compte le technique " pas-à-pas ", les modèles physique sont limités à basse énergie, il n'a pas des descriptions des cibles moléculaires et Geant4 n'est pas capable de simuler les étapes physico-chimique et chimique nécessaire pour déterminer l'oxydation des bases et les éventuelles cassures d'ADN.Dans ce contexte, le projet Geant4-DNA propose d'étendre Geant4 afin de modéliser les interactions des radiations ionisantes à l'échelle de la cellule biologique et la molécule d'ADN et aux basses énergies. Au cours du travail de thèse, j'ai tout d'abord validé les modèles physiques en comparant les résultats de simulation à une grande collection de données expérimentales disponibles dans la littérature. L'accord entre les valeurs de sections efficaces totales et différentielles et les mesures expérimentales a été quantifié à l'aide du test statistique Kolmogorov-Smirnov. J'ai par la suite amélioré les classes des processus de diffusion élastique des électrons et travailler sur les calculs théoriques du modèle de diffusion élastique des protons et des alphas dans l'eau liquide auparavant inexistant dans Geant4-DNA. J'ai effectué une combinaison des processus multi-échelles des modèles de Geant4-DNA (à l'échelle microscopique) avec les modèles électromagnétiques disponibles dans l'outil Geant4 (les processus d'interaction des photons et autres modèles de Geant4). A la fin de mon travail, j'ai participé à l'estimation des performances de Geant4-DNA pour la dosimétrie dans des géométries de petite taille (jusqu'à l'échelle du nanomètre) dans l'eau liquide à l'aide des distributions " Dose Point Kernel ". J'ai ensuite calculé les fréquences de dépôts d'énergie dans des petits cylindres de dimensions nanométriques correspondant à des cibles biologiques et des modèles de noyau cellulaire humain simplifié pour l'estimation des cassures directes simple et double. Mon travail de thèse a fournit les premiers résultats de Geant4-DNA pour la prédiction de cassure de brin d'ADN combinant physique et géométries à l'échelle de l'ADN. Enfin, nous avons développé des classes de processus et modèles basés sur l'approche CTMC-COB (Classical Trajetory Monte Carlo avec critère d'Over Barrier) spécifique aux bases de la molécule d'ADN et à l'eau liquide.

A l'aide de l'imagerie fonctionnelle par résonance magnétique cérébrale (IRMf), il est possible de localiser in vivo les aires visuelles corticales dites "de bas niveau" , sur la base de leur propriété de rétinotopie. La cartographie rétinotopique est un préliminaire essentiel pour interpréter les résultats de nombreuses études sur le traitement de l'information visuelle. Il est donc important de s'assurer de sa robustesse. Nous avons obtenu des cartes rétinotopiques à partir d'acquisitions sur un imageur à 3 T, et mesuré l'accroissement de la variance des signaux fonctionnels induit par l'augmentation du champ magnétique utilisé. Nos résultats confi rment que cet accroissement n'est pas uniquement du à l'augmentation du bruit physiologique, mais aussi à une amélioration de la part de variance attribuable aux stimuli visuels. L'inconvénient majeur de la séquence d'acquisition EPI que nous utilisons est sa sensibilité aux hétérogénéités de champ magnétique qui induit des distorsions géométriques dans les images. Nos analyses révèlent que la méthode de correction des distorsions que nous utilisons évite des erreurs importantes de localisation corticale des activations fonctionnelles, et contribue à la robustesse des études dans les aires visuelles de bas niveau. Sur base des cartes rétinotopiques, nous avons mis en place un cadre novateur de représentation de données individuelles, dans la perspective d'une étude de groupe. Ce cadre permet de s'a ffranchir de la variabilité fonctionnelle inter-individuelle importante des aires visuelles de bas niveau, et de visualiser les résultats d'une étude de groupe dans un système de coordonnées uni fié. Nous avons estimé la robustesse de cette approche et l'avons appliquée à deux études portant sur le traitement local et global de l'information visuelle.

Le nombre croissant de nanostructures physiques et biologiques sont caractérisées par l'ordre non-cristallin et par les propriétés physiques et biologiques non-conventionnels. Parmi ses systèmes il faut distinguer les capsides virales. Ces coquilles solides qui sont formées par un certain nombre dec opies de la même protéine protègent le virus des agressions et facilitent le processus d'infection de la cellule hôte. La distribution des positions de protéines dans une capside est très régulière et montre un degré très élevé d'ordre, aussi bien orientationnel que positionnel. Les capsides virales de topologie sphérique possèdent la symétrie icosaédrique compatible avec l'ordre cristallin local, mais incompatible avec la symétrie cristalline globale et interdite dans les structures périodiques.Ici, sur l'exemple des Papovavirus, nous montrons l'existence d'un nouveau type d'organisation qui résulte dans l'ordre quasicristallin pentagonal chiral de protéines dans des capsides de topologie sphérique et géométrie dodécaédrique. La formation de cet ordre est décrite dans le cadre de la théorie de Landau de cristallisation. Les particularités de la structure sont élucidées grâce à la théorie d'élasticité des quasicristaux comme le résultat de la déformation phason nonlinéaire.La généralisation de la théorie de Landau de cristallisation que nous proposons permet également de décrire des structures quasicristallines octogonales et décagonales grâce à la minimisation contrainte de l'énergie libre, et donne un nouveau sens physique à la notion de " fenêtre de projection " utilisée dans la cristallographie multidimensionnelle.

The remarkable accuracy of Monte Carlo (MC) dose calculation algorithms has led to the widely accepted view that these methods should and will play a central role in the radiotherapy treatment verification and planning of the future. The advantages of using MC clinically are particularly evident for radiation fields passing through inhomogeneities, such as lung and air cavities, and for small fields, including those used in today's advanced intensity modulated radiotherapy techniques. Many investigators have reported significant dosimetric differences between MC and conventional dose calculations in such complex situations, and have demonstrated experimentally the unmatched ability of MC calculations in modeling charged particle disequilibrium. The advantages of using MC dose calculations do come at a cost. The nature of MC dose calculations require a highly detailed, in-depth representation of the physical system (accelerator head geometry/composition, anatomical patient geometry/composition and particle interaction physics) to allow accurate modeling of external beam radiation therapy treatments. To perform such simulations is computationally demanding and has only recently become feasible within mainstream radiotherapy practices. In addition, the output of the accelerator head simulation can be highly sensitive to inaccuracies within a model that may not be known with sufficient detail. The goal of this dissertation is to both improve and advance the implementation of MC dose calculations in modern external beam radiotherapy. To begin, a novel method is proposed to fine-tune the output of an accelerator model to better represent the measured output. In this method an intensity distribution of the electron beam incident on the model is inferred by employing a simulated annealing algorithm. The method allows an investigation of arbitrary electron beam intensity distributions and is not restricted to the commonly assumed Gaussian intensity. In a second component of this dissertation the design, implementation and evaluation of a technique for reducing a latent variance inherent from the recycling of phase space particle tracks in a simulation is presented. In the technique a random azimuthal rotation about the beam's central axis is applied to each recycled particle, achieving a significant reduction of the latent variance. In a third component, the dissertation presents the first MC modeling of Varian's new RapidArc delivery system and a comparison of dose calculations with the Eclipse treatment planning system. A total of four arc plans are compared including an oropharynx patient phantom containing tissue inhomogeneities. Finally, in a step toward introducing MC dose calculation into the planning of treatments such as RapidArc, a technique is presented to feasibly generate and store a large set of MC calculated dose distributions. A novel 3-D dyadic multi-resolution (MR) decomposition algorithm is presented and the compressibility of the dose data using this algorithm is investigated. The presented MC beamlet generation method, in conjunction with the presented 3-D data MR decomposition, represents a viable means to introduce MC dose calculation in the planning and optimization stages of advanced radiotherapy.