No description available.

The criteria for diagnosing Alzheimer’s disease (AD) have recently been revised to include the use of biomarkers for the in vivo presence of β-amyloid, one of the neuropathological hallmarks of AD. Examples of such biomarkers are positron emission tomography (PET) β-amyloid specific ligands, including [18F]flutemetamol. The aim of this thesis was to characterize the binding properties of [18F]flutemetamol from a tracer kinetic perspective as well as by validating binding measures through comparison with tissue pathology assessments. The applicability of previously developed kinetic models of tracer binding for voxel-based analysis was examined and compared to arterial input compartment modelling, the “gold standard” for PET quantification. Several voxel-based methods were found to exhibit high correlations with compartment modelling, including the semi-quantitative standardized uptake value ratio (SUVR). The kinetic components of [18F]flutemetamol uptake were also investigated without model assumptions using the data driven method spectral analysis, with binding to β-amyloid shown to relate to a slow kinetic component. The same component was also found to predominate in the uptake of white matter, known to be free of β-amyloid accumulation. White matter uptake was however possible to separate from β-amyloid binding based on the relative contribution of the slow component to the total volume of distribution. Uptake of [18F]flutemetamol as quantified using SUVR or assessed visually was found to correlate well with tissue pathology assessments. Classifying the brains of 68 deceased subjects who had undergone [18F]flutemetamol PET scanning ante mortem, based on the spatial distribution of β-amyloid according to pre-defined phases, revealed that abnormal uptake patterns of [18F]flutemetamol were only certain to be found in the last phase of β-amyloid accumulation. In the same cohort however, [18F]flutemetamol was also shown to accurately distinguish between subjects with AD and non-AD dementia. While this supports the use of [18F]flutemetamol in clinical settings for ruling out AD, the association of abnormal [18F]flutemetamol uptake to late phases of β-amyloid accumulation may limit the detection of early accumulation and pre-clinical stages of AD. It remains to be investigated whether application of voxel-based methods and slow component filtering may increase sensitivity, particularly in the context of clinical trials.

La Tomographie par Émission de Positon (TEP) combinée à l'imagerie scanner est intéressante pour la planification de traitement en radiothérapie. Elle réduit la variabilité inter et intra-observateur dans la définition du volume cible et permet de visualiser les hétérogénéités biologiques. Plusieurs algorithmes de segmentation ont été proposés mais aucun ne fait consensus. Pour valider ces algorithmes, les simulations de Monte-Carlo offrent la possibilité de maîtriser la vérité terrain et l'ensemble des paramètres d'acquisition.Nous avons proposé plusieurs méthodologies d'amélioration du réalisme des simulations. Des jeux de données présentant une variabilité anatomique, une hétérogénéité tumorale réaliste et intégrant les mouvements respiratoires ont ainsi été générés.Ces données ont été utilisées dans une première étude sur la segmentation du volume cible. Plusieurs algorithmes ont été comparés dans le cadre de la planification de traitement. L'utilisation de données simulées a permis de relier la précision de la segmentation à la qualité de la couverture de la vérité terrain. Nous avons aussi étudié l'impact de la respiration sur la précision de la segmentation.L'utilisation d'un algorithme de segmentation avancé permettant de définir un sous-volume plus actif pour la prescription d'une dose hétérogène a été proposée. Plusieurs scénarios de prescription ont été comparés en terme de probabilité de contrôle tumorale (TCP) calculée sur la TEP. La variabilité de la TCP liée aux paramètres d'acquisitions a été quantifiée. L'impact du contraste et de la taille du sous-volume fut étudié. Pour finir l'apport d'un ajout de compartiments à de telles prescriptions a été analysé. / There has been an increasing interest for the use Positron Emission Tomography (PET) combined with Computed Tomography for radiotherapy treatment planning. It improves target volume delineation by reducing inter and intra-observer variability and allows visualizing biological heterogeneities. Plethoras of segmentation algorithm have been proposed but there is a lack of consensus regarding which one to use. Monte Carlo simulations are interesting to validate these algorithms since they allow creating datasets with known ground-truth and for which all acquisition parameters are controlled.We proposed several methodologies for improving the realism of simulations. Several datasets incorporating patient specific variability in terms of anatomy and activity distributions, realistic tumor shape and activity modeling and integrating the respiratory motions were created.These data were used in a first study concerning target volume definition. Several algorithms were compared for radiotherapy treatment planning. The accuracy of segmentation was related to the quality of ground-truth volume coverage. We also studied the impact of respiratory motion on segmentation accuracy.We investigated the use of an advanced segmentation method able to define high uptake sub-volumes, for heterogeneous dose prescriptions. Several scenarios of prescriptions were compares in terms of Tumor Control Probability (TCP) computed on PET images. Variability of this TCP due to acquisition parameters was quantified. The impact of contrast and size of sub-volume was studied. Finally we studied the usefulness of the addition of compartments to such heterogeneous prescriptions.

Positron Emission Tomography (PET) has great value in research and clinical applications from oncology to neurodegenerative disorders. However, there is a barrier in translating biological knowledge into new PET applications due in part to the lack of efficient, widely applicable methods for labelling compounds with PET radioisotopes. Herein, a generic approach to radiolabelling is presented which is direct, broadly applicable and potentially adaptable to either of the two most commonly used PET radioisotopes, 11C and 18F. This approach employs the advantages of solid phase synthesis to achieve selective release of only the desired radiolabelled product from a solid support in a single step, simplifying purification and hence improving synthetic efficiency. Polystyrene resin was functionalised with a 1,2-diol group; this allowed the covalent attachment of compounds bearing boronic acid groups via formation of a boronate ester linkage. A Suzuki-Miyaura reaction with methyl iodide was used to cleave a model compound from the resin in 61% conversion after five minutes. This reaction was adapted to develop a fully automated radiosynthesis with [11C]- methyl iodide which generated a radiolabelled model compound in 2 – 7% non-decay-corrected radiochemical yield. This provided proof of concept for the simultaneous cleavage of compounds from the resin and radiolabelling with 11C. A boronic acid precursor of the known radiotracer [11C]-M-MTEB was attached to the resin and successfully radiolabelled with 11C in 2.4% non-decay-corrected radiochemical yield and 96 – 100% radiochemical purity under the same conditions. Furthermore, the potential adaptability of this solid phase approach to 18F radiolabelling was demonstrated by treatment of the resin-bound small molecules and peptides with potassium bifluoride, which released the compounds rapidly as trifluoroborate salts.

A characteristic feature of Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) is an abnormal inflammatory response in the lungs to inhaled particles or gases. The ability to assess and monitor this response in the lungs of COPD patients is important for understanding the pathogenic mechanisms, but also provides a measure of the activity of the disease. Disease activity is more likely to relate to lung inflammation rather than the degree of airflow limitation as measured by the FEV1. Preliminary studies have shown the 18F fluorodeoxyglucose positron emission tomography (18F FDG-PET) signal, as a measure of lung inflammation, is quantifiable in the lungs and is increased in COPD patients compared to controls. However, the methodology requires standardisation and any further enhancement of the methodology would improve its application to assess inflammation in the lungs. I investigated various methods of assessing FDG uptake in the lungs and assessed the reproducibility of these methods, and particularly evaluated whether the data was reproducible or not in the COPD patients (smokers and ex-smokers). This data was then compared with a group of healthy controls to assess the role of dynamic 18F FDG-PET scanning as a surrogate marker of lung inflammation. My data showed a good reproducibility of all methods of assessing FDG lung uptake. However, using conventional Patlak analysis, the uptake was not statistically different between COPD and the control group. Encouraging results in favour of COPD patients were nonetheless shown using compartmental methods of assessing the FDG lung uptake, suggesting the need to correct for the effect of air and blood (tissue fraction effect) when assessing this in a highly vascular organ like the lungs. A prospective study analysis involving a bigger cohort of COPD patients would be desirable to investigate this further.

Positron emission tomography (PET) is a non-invasive medical imaging technique that allows visualisation and quantification of biochemical, physiological and pharmacological processes in living subjects. This is achieved through application of radiotracers – compounds labelled with positron emitting radionuclides. Neurodegeneration is the progressive loss of neurons resulting in impairment of brain function leading to cognitive decline and can affect movement. The underlying pathology of many neurodegenerative diseases is misfolding of proteins such as α-synuclein, the key pathological hallmark of Parkinson’s disease. Also implicated in the processes of neurodegeneration is neuroinflammation, which is observed by the activation of microglia – the immune cells of the brain. Activation of microglia is associated with the upregulation of the 18 kDa mitochondrial translocator protein (TSPO). This work has involved the synthesis and characterisation of novel compounds that have the potential for being applied as radiotracers for imaging α-synuclein fibrils (project 1), or TSPO (project 2) via PET. Over the course of project 1 a library of compounds was synthesised based upon structural modifications of a lead structure identified from the literature. These compounds then underwent screening via biophysical methodologies in order to determine their affinity to α-synuclein fibrils. This stage of the work involved the development of a novel biophysical technique – microscale thermophoresis (MST). A general automated radiosynthetic method to afford the [18F]fluoro-derivatives of these compounds has also been developed, and preliminary in vitro autoradiography studies and an in vivo microPET scan has been performed. For project 2, an automated radiosynthetic method was developed to produce [18F]GE387, a lead compound identified through collaboration with GE Healthcare. This radiotracer has then been applied to preliminary in vitro autoradiography and an in vivo microPET study using rats with induced neuroinflammation alongside control rats.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第20612号 / 医博第4261号 / 新制||医||1023(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 増永 慎一郎, 教授 溝脇 尚志, 教授 小泉 昭夫 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Despite the development of therapeutic interventions to prevent mortality following myocardial infarction (MI), there is a significant long-term risk of developing heart failure (HF). Injectable collagen hydrogels have demonstrated considerable promise as a therapeutic solution to reduce adverse ventricle remodeling associated with the development of HF post-MI. Matrix metalloproteinases (MMPs) are proteolytic enzymes involved in the degradation of the structural components of the extracellular matrix (ECM). The activation of MMPs following MI is an essential step in the cardiac repair process. However, uncontrolled enzymatic activity during this time has been associated with the formation of adverse fibrosis. Given the role of the proteases in tissue remodeling, MMPs may be a potential biomarker to predict the development of HF. This thesis work seeks to examine the effect of a novel hydrogel matrix therapy on cardiac tissue post-MI using broad-spectrum MMP-targeted radiotracer, [18F]BR3531. In Study 1, serial positron emission tomography (PET) imaging was performed to elucidate the spatial and temporal binding of [18F]BR351 post-MI using a murine model. Imaging was performed by administering [18F]BR351 at time points corresponding with periods of peak MMP activation post-MI. In vivo PET imaging and in vitro autoradiography demonstrated decreased [18F]BR351 binding in the infarct region. In Study 2, the model was used to evaluate the efficacy of a therapeutic collagen hydrogel to attenuate tissue remodeling. The groups that received the matrix treatment exhibited improved [18F]BR351 uptake in the infarct region. However, conflicting results between in vivo imaging and in vitro autoradiography, and immunohistochemistry using MMP2 and MMP9 indicate that [18F]BR351 may not be suited for MMP imaging in mouse models of MI.

Ο γενικός σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν να προτείνει μια νέα μέθοδο για την πλήρη περιγραφή των χαρακτηριστικών ποιότητας εικόνας και την βελτιστοποίηση της Τομογραφίας Εκπομπής Ποζιτρονίων (PET) αναπτύσσοντας ένα μοντέλο Monte Carlo. Υλικά και Μέθοδοι: Η μέθοδος αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας τον κώδικα Monte Carlo (GEANT4 Application For Tomographic Emissions) του GEANT4 με το πακέτο λογισμικού GATE που αναπτύχθηκε από την Open-GATE collaboration. Για την ανακατασκευή των εικόνων χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό STIR και για τη λήψη των δεδομένων της ανακατασκευής, από το GATE, χρησιμοποιήθηκε μια συστοιχία από 12 επεξεργαστές Dual Core Intel (R) Xeon (TM) 3.00GHz (Supermicro SuperServer 6015B-UR/NTR, Αγγλία). Ο σαρωτής PET που προσομοιώθηκε σε αυτή τη μελέτη ήταν ο General Electric Discovery-ST (ΗΠΑ). Το μοντέλο GATE πιστοποιήθηκε μέσω της σύγκρισης των αποτελεσμάτων που ελήφθησαν με δημοσιευμένα αποτελέσματα (Bettinardi et al 2004, Mawlawi et al 2004) τα οποία ακολουθούν το πρωτόκολλο της NEMA-NU-2 2001. Οι εικόνες ανακατασκευάστηκαν με τρεις μεθόδους, αρχικά με τη 2D φιλτραρισμένη οπισθοπροβολή (FBP2D), στη συνέχεια με τη μέθοδο της 3D φιλτραρισμένης οπισθοπροβολής (FPB3DRP), των Kinahan και Rogers, και τέλος με χρήση επαναληπτικών αλγορίθμων (MLE-OSMAPOSL). Αρχικά έγινε προσδιορισμός της Συνάρτησης Μεταφοράς Διαμόρφωσης (MTF) για την αξιολόγηση της ποιότητας εικόνας συστημάτων PET. Η αξιολόγηση έγινε μέσω της προσομοίωσης μιας νέας επίπεδης πηγής Λεπτού Χρωματογραφικού Φιλμ (Thin Layer Chromatography-TLC) το οποίο αποτελείται από ένα στρώμα Διοξειδίου του Πυριτίου και υποστρώματα φύλλου Αλουμινίου, εμβαπτισμένο σε 18F-FDG με ενεργότητα 44.4MBq. Η αξιολόγηση της MTF έγινε μέσω των ανακατασκευασμένων εικόνων της επίπεδης πηγής κάνοντας χρήση του λογισμικού STIR. Η αξιολόγηση της MTF πραγματοποιήθηκε επίσης: α) σε τρεις διαστάσεις (3D), τοποθετώντας την επίπεδη πηγή σε οριζόντια και σε κάθετη κατεύθυνση (διαστάσεις πηγής οριζόντια και κάθετα 5x10 εκατοστά), β) με σάρωση πηγής μεγαλύτερου πλάτους, ανακατασκευάζοντας την εγκάρσια τομή της (διαστάσεις 18x10cm) και γ) από ανακατασκευασμένες εικόνες σημειακής πηγής. Να τονίσουμε εδώ ότι η παρούσα μελέτη είχε ως στόχο να συγκρίνει την προτεινόμενη μέθοδο (αξιολόγηση της MTF μέσω επίπεδης πηγής) με την πιο παραδοσιακή τεχνική που βασίζεται σε σημειακές πηγές. Στη συνέχεια έγινε προσδιορισμός της Ανιχνευτικής Κβαντικής Αποδοτικότητας (DQE) για την εκτίμηση της συνολικής απόδοσης του συστήματος PET, μέσω υπολογισμού της Συνάρτησης Μεταφοράς Διαμόρφωσης και του Κανονικοποιημένου Φάσματος Ισχύος Θορύβου (NNPS). Οι καμπύλες της MTF υπολογίστηκαν από την ανακατασκευή των εγκάρσιων τομών της επίπεδης πηγής (1 MBq), ενώ το NNPS υπολογίστηκε από τις αντίστοιχες στεφανιαίες τομές. Οι εικόνες ανακατασκευάστηκαν εφαρμόζοντας επαναληπτικούς αλγόριθμους (MLE-OSMAPOSL), χρησιμοποιώντας διάφορα υποσύνολα των προβολών (subsets) (3 έως 21) και επαναλήψεων (iterations) (1 έως 20). Επιπλέον, η αξιολόγηση της DQE έγινε μέσω διερεύνησης της επίδρασης διαφόρων κρυστάλλων σπινθηριστών στην διακριτική ικανότητα (MTF) και τον θόρυβο (NNPS) των ανακατασκευασμένων εικόνων του PET. Σε αυτή την περίπτωση, ο αλγόριθμος ανακατασκευής της εικόνας MLE-OSMAPOSL, υλοποιήθηκε χρησιμοποιώντας 15 subsets και 3 iterations. Αποτελέσματα και Συζήτηση: Τα αποτελέσματα της πιστοποίησης μέσω σύγκρισης με δημοσιευμένα αποτελέσματα είναι τα ακόλουθα: Η Διακριτική Ικανότητα (Spatial Resolution, SR) στο Πλήρες Εύρος στο Ήμιση του Μέγιστου (Full Width at Half Maximum - FWHM) βρέθηκε να έχει απόκλιση μικρότερη από 3,29% σε λειτουργία 2D και μικρότερη από 2,51% σε λειτουργία 3D, σε σχέση με δημοσιευμένα πειραματικά αποτελέσματα (Mawlawi et al 2004), αντιστοίχως. Οι τιμές 2D, για την Ευαισθησία (Sensitivity), το Ποσοστό Σκέδασης (Scatter Fraction-SF) και την Απόδοση του Ρυθμού Μέτρησης (Count-Rate), τα οποία ελήφθησαν ακολουθώντας το πρωτόκολλο της NEMA NU 2-2001, βρέθηκαν να διαφέρουν λιγότερο από 0,46%, 4,59% και 7,86%, αντίστοιχα με τα δημοσιευμένα πειραματικά αποτελέσματα (Mawlawi et al 2004). Ακολούθως, οι αντίστοιχες τιμές σε λειτουργία 3D βρέθηκαν να διαφέρουν λιγότερο από 1,62%, 2,85% και 9,13%, αντίστοιχα, με τα δημοσιευμένα πειραματικά αποτελέσματα (Mawlawi et al 2004). Η ευαισθησία επιπλέον εκτιμήθηκε χωρίς την παρουσία υλικού εξασθένησης, προσομοιώνοντας απευθείας μια ιδανική πηγή. Οι διαφορές που προέκυψαν μεταξύ της ιδανικής πηγής και της μεθοδολογίας κατά NEMA-NU-2 2001 κυμαίνονται από 0,04% έως 0,82% (ακτινική θέση R = 0cm) σε λειτουργία 2D και από 0,52% έως 0,67% σε λειτουργία 3D (ακτινικές θέσεις R = 10cm). Συνεπώς κάνοντας χρήση αυτής της μεθόδου, η ευαισθησία μπορεί να προσδιοριστεί με πιο απλοποιημένη και γρήγορη διαδικασία. Οι τιμές του Ρυθμού Μέτρησης Ισοδύναμου Θορύβου (Noise Equivalent Count Rate-NECR) που προέκυψαν ήταν 94.31kcps σε 2D και 66.9kcps σε 3D στα 70 και 15kBq/mL αντίστοιχα, σε σύγκριση με τα δημοσιευμένα αποτελέσματα τα οποία ήταν 94.08kcps σε 2D και 70.88kcps σε 3D στα 54.6kBq/mL και 14kBq/mL αντίστοιχα. Οι τιμές για την ποιότητα εικόνας βρέθηκαν σε εξαιρετική συμφωνία με τα δημοσιευμένα αποτελέσματα. Αφού ολοκληρώθηκε η πιστοποίηση του μοντέλου έγινε υπολογισμός της MTF. Οι τιμές MTF που προέκυψαν από την ανακατασκευή με τον αλγόριθμο FBP2D βρέθηκαν σε εξαιρετική συμφωνία με αυτές που προέκυψαν από την ανακατασκευή με τον αλγόριθμο FBP3DRP, ενώ οι αντίστοιχες τιμές μέσω του αλγόριθμου MLE-OSMAPOSL ήταν σε όλο το φάσμα των χωρικών συχνοτήτων υψηλότερες σε σχέση με τους αλγόριθμους οπισθοπροβολής (FBP). Η προσομοίωση της μεγάλης επίπεδης πηγής με αλγορίθμους οπισθοπροβολής έδειξε ότι οι τιμές της MTF ελαττώνονται σταδιακά από το κέντρο προς τα άκρα του οπτικού πεδίου (Field Of View-FOV). H MTF, της κάθετης τομής, διέφερε ελάχιστα σε σχέση με την οριζόντια. Η σύγκριση της επίπεδης πηγής με τη σημειακή πηγή έδειξε ότι η πρώτη είναι λιγότερη ευαίσθητη στο θόρυβο (SD = 0,0031 και 0,0203, αντίστοιχα). Η αξιολόγηση της DQE μέσω επαναληπτικών αλγορίθμων MLE-OSMAPOSL έδειξε ότι η απόδοση του συστήματος βελτιώνεται όσο αυξάνεται ο αριθμός των επαναλήψεων μέχρι μια μέγιστη τιμή (12 iterations) και παρέμενε αναλλοίωτη από εκεί και έπειτα. Επιπλέον, η μεταβολή του αριθμού των subsets δεν είχε επίδραση στην MTF, για ίσο αριθμό επαναλήψεων. Αντίστοιχα τα επίπεδα θορύβου (NNPS) μειώθηκαν με την αύξηση του αριθμού των iterations και των subsets. Με βάση τα προηγούμενα οι τιμές της DQE επηρεάστηκαν τόσο από την MTF όσο και από το NNPS και βρέθηκαν να αυξάνουν με την αντίστοιχη αύξηση του αριθμού των iterations και των subsets. Τέλος, ο ανιχνευτής PET στον οποίο τοποθετήθηκαν κρύσταλλοι LuAP, παρείχε τις βέλτιστες τιμές MTF σε οπισθοπροβολή 2D και 3D ενώ η αντίστοιχη διαμόρφωση με κρυστάλλους BGO παρείχε τις βέλτιστες τιμές MTF μετά την ανακατασκευή με MLE-OSMAPOSL. Αντίστοιχα, ο ανιχνευτής με κρυστάλλους BGO είχε τα χαμηλότερα επίπεδα θορύβου και τις υψηλότερες τιμές DQE μετά από την εφαρμογή όλων των αλγόριθμων ανακατασκευής. Συμπερασματικά: Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι η συνολική απόδοση συστημάτων PET μπορεί να χαρακτηριστεί πλήρως, να βελτιωθεί περαιτέρω και να γίνει πιο απλή με τη διερεύνηση των διαφόρων στοιχείων της αλυσίδας απεικόνισης μέσω μεθόδων Monte Carlo. Η μέθοδος αξιολόγησης ανιχνευτών ΡΕΤ, βασιζόμενη σε επίπεδη πηγή TLC, απαιτεί υλικά που είναι συνηθισμένα στο κλινικό περιβάλλον, μπορεί να εφαρμοστεί πειραματικά και να χρησιμοποιηθεί στην κλινική πράξη. Σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση και βελτιστοποίηση της ποιότητας εικόνας, αλλά μπορεί να είναι επίσης χρήσιμη στον τομέα της έρευνας για περαιτέρω ανάπτυξη συστημάτων ΡΕΤ και SPECT, μέσω προσομοιώσεων με το πακέτο λογισμικού GATE. Οι ανακατασκευασμένες εικόνες από το λογισμικό STIR μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της κατανομής του ραδιοφαρμάκου, καθώς και την απευθείας λήψη της δοσιμετρικής κατανομής, με αντίστοιχο όφελος στους πυρηνικούς γιατρούς. / The overall purpose of this study was to propose a novel method for the complete image quality characterization and optimization of Positron Emission Tomography (PET) scanners with Monte-Carlo (MC) methods. Α model was developed using the Monte Carlo package of Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE) and the software for tomographic image reconstruction (STIR) with cluster computing to obtain reconstructed images. The PET scanner used in this study was the General Electric Discovery-ST (US). The GATE model was validated by comparing results obtained in accordance with the National Electrical Manufacturers Association NEMA-NU-2-2001 protocol (Bettinardi et al 2004, Mawlawi et al 2004). Validation images were reconstructed with the commonly used 2D Filtered Back Projection (FBP2D) and the Kinahan and Rogers FPB3DRP Reprojection Algorithms. Image quality, in terms of the Modulation Transfer Function (MTF), was initially assessed with a novel plane source consisting of a Thin Layer Chromatography (TLC) plate, simulated by a layer of Silica gel on Aluminium foil substrates immersed in Fluorodeoxyglucose (18F-FDG) bath solution (44.4MBq). MTF was assessed from the evaluated STIR digital reconstructed images of the plane source. MTF was also assessed a) in three dimensions, in lines passing through the central axis of the PET scanner, by placing the plane source only horizontally and vertically (5x10cm), b) by scanning 18cm of the transaxial Field Of View (FOV) through the simulation of a horizontal large plane source (18x10cm) and c) by evaluating reconstructed point source images. Furthermore, the study aimed to compare the proposed method with the more traditional technique based on a line source. The complete image quality characterization was assessed in terms of the Detective Quantum Efficiency (DQE) by estimating the MTF and the Normalized Noise Power Spectrum (NNPS) of the 18F-FDG TLC plane source (1 MBq). MTFs curves were estimated from transverse reconstructed images of the plane source, whereas the NNPS data were estimated from the corresponding coronal images. Images were reconstructed by the Maximum Likelihood Estimation (MLE)-OSMAPOSL reprojection algorithm by using various subsets (3 to 21) and iterations (1 to 20). Additionally, the influence of different scintillating crystals on PET scanner’s image quality, in terms of the MTF, the NNPS and the DQE, was also investigated. In this case, OSMAPOSL image reconstruction was assessed by using 15 subsets and 3 iterations. The simulated spatial resolution in terms of Full Width at Half Maximum (FWHM) agreed with published data of Mawlawi et al (2004), within less than 3.29% in 2D and less than 2.51% in 3D with published data of others, respectively. The 2D values for the sensitivity, the scatter fraction and the count-rate were found to agree within less than 0.46%, 4.59% and 7.86%, respectively with corresponding published values. Accordingly, the corresponding 3D values were found to agree to less than 1.62%, 2.85% and 9.13%, respectively with Mawlawi et al (2004) published values. Sensitivity, which was also estimated in the absence of attenuation material by simulating an ideal source, showed differences between the extrapolated and the ideal source values (with and without attenuation) ranging in 2D from 0.04% to 0.82% (radial location R=0cm) in 2D and from 0.52% to 0.67% in 3D mode (radial locations R=10cm). By using this model, sensitivity can be obtained in a more simplified procedure. The simulated noise equivalent count rate was found to be 94.31kcps in 2D and 66.9kcps in 3D at 70 and 15kBq/mL respectively, compared to 94.08kcps in 2D and 70.88kcps in 3D at 54.6kBq/mL and 14kBq/mL respectively, from the published by others values. The simulated image quality was found in excellent agreement with these published values. The MTFs obtained using the FBP2D were in close agreement to those obtained by the FBP3DRP, whereas the MTFs of the OSMAPOSL show, in all cases, that higher frequencies are preserved than in the case of the FBP. FBP reconstructed images obtained from the large horizontal plane source showed that the MTF was found to degrade gradually as we move towards the edge of the FOV. The MTFs of the FBP images along the vertical direction were slightly lower than the corresponding horizontal ones. In addition, the plane source method is less prone to noise than the conventional line source method (sd=0.0031 and 0.0203, respectively). In the case of DQE investigation, MTF values assessed from the evaluated STIR digital reconstructed images, of the TLC based plane source, were found to improve as the number of iterations increased up to 12 and remain almost constant thereafter. Furthermore, variation in the number of subsets didn’t show any effect on the MTF, for equal number of iterations. The noise levels, in terms of the NNPS, in the reconstructed PET image, were found to decrease with the corresponding increase of both the number of iterations and subsets. DQE values were influenced by both MTF and NNPS and were found to increase with the corresponding increase in both number of iterations and subsets. Finally, the PET scanner configuration, incorporating LuAP crystals, provided the optimum MTF values in both 2D and 3DFBP whereas the corresponding configuration with BGO crystals was found with the higher MTF values after OSMAPOSL. The scanner incorporating BGO crystals were also found with the lowest noise levels and the highest DQE values after all image reconstruction algorithms. In conclusion, our study showed that the imaging performance of PET scanners can be fully characterized, further improved and simplified by investigation of the imaging chain components through MC methods. The simulated PET evaluation method, based on a TLC plane source, requires materials commonly found in a clinical environment and can be experimentally implemented and used in clinical practice. In this study it was used for the image quality assessment and optimization, but it can be also useful in research for the further development of PET and SPECT (Single Photon Emission Tomography) scanners though GATE simulations. Reconstructed images by STIR can be also used to obtain radiopharmaceutical distribution of images and direct dose maps, quite useful to nuclear medicine practitioners.

Le système sérotoninergique, impliqué dans plusieurs pathologies du système nerveux central, peut être exploré in vivo par l’imagerie TEP (tomographie par émission de positons). La recherche et la validation préclinique de radiotraceurs ciblant spécifiquement les récepteurs sérotoninergiques est donc cruciale. Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés à deux récepteurs sérotoninergiques pour lesquels nous avons développé des outils moléculaires pour leur imagerie fonctionnelle: (i) les récepteurs 5-HT1A et (ii) les récepteurs 5-HT7. (i) Les récepteurs 5-HT1A sont parmi les récepteurs à sérotonine les mieux décrits à l’heure actuelle. Cependant, si des radiotraceurs TEP sont déjà disponibles, ceux-ci sont des antagonistes qui se fixent indifféremment aux récepteurs 5-HT1A, couplés aux protéines G et fonctionnels, et aux récepteurs 5-HT1A, découplés et non fonctionnels. Nous avons donc proposé une stratégie originale de développement d’un agoniste 5- HT1A radiomarqué au fluor afin d’accéder à une imagerie des récepteurs fonctionnels. Deux molécules, le F15599 et le F13714, initialement développées pour leurs propriétés antidépressives par un partenaire industriel, ont été radiomarquées au fluor 18 puis ont été évaluées in vitro, ex vivo et in vivo chez le rat et le chat. Nos résultats montrent que le [18F]F13714 permet de visualiser de manière inédite les récepteurs 5- HT1A couplés aux protéines G. (ii) Le deuxième axe de cette thèse concerne les récepteurs 5-HT7, de découverte récente et proposés comme cible thérapeutique antidépressive. A l’inverse des récepteurs 5-HT1A, les récepteurs 5-HT7 ne disposent pas encore de radiotraceur TEP. Notre approche a consisté à sélectionner, à partir du pharmacophore du récepteur, quatre structures d’antagonistes 5-HT7, synthétisées par un laboratoire partenaire de chimie : le 2FP3, le 4FP3, le 2FPMP et le 4FPMP. Nos études radiopharmacologiques in vitro, ex vivo et in vivo nous ont conduit à retenir un radiotraceur, le [18F]2FP3. À l’issue de ce travail de thèse CIFRE, nous pouvons donc proposer deux radiotraceurs TEP originaux, ouvrant des perspectives inédites d’imagerie moléculaires de la neurotransmission 5-HT1A et 5-HT7 et dont nous envisageons la poursuite du développement comme radiopharmaceutiques cliniques / The serotonergic system, implicated in several diseases of central nervous system, can be explored in vivo by PET imaging (positron emission tomography). The research and the preclinical validation of radiotracers that specifically target serotonin are crucial. In this work, we focused on two serotonin receptors for which we have developed molecular tools for functional imaging: (i) the 5-HT1A and (ii) the 5-HT7. (i) 5-HT1A receptors are among the serotonin receptors the best described at present. However, if PET radiotracers are already available, they are antagonists and bind either to 5-HT1A receptors, G protein-coupled and functional, and to 5-HT1A receptors decoupled and non-functional. We therefore proposed an original strategy to develop a 5-HT1A agonist labeled with fluorine to access imagery of functional receptors. Two molecules, the F15599 and F13714, initially developed for their antidepressant properties by an industrial partner, were radiolabeled with fluorine-18 and were evaluated in vitro, ex vivo and in vivo in rats and cats. Our results show that the [18F] F13714 may view in a new way the 5-HT1A G protein-coupled (ii) The second focus of this thesis for the 5-HT7, recently discovered and proposed as a therapeutic target antidepressant. Unlike the 5-HT1A, 5-HT7 receptors do not yet have PET radiotracer. Our approach was to select, from the pharmacophore of the receptor, four structures of 5-HT7 antagonists, synthesized by a lab partner in chemistry: the 2FP3, the 4FP3, the 2FPMP and 4FPMP. Our radiopharmacology in vitro, ex vivo and in vivo led us to retain a radiotracer, the [18F] 2FP3. At the conclusion of this thesis CIFRE, we can propose two originals PET radiotracers , opening new perspectives for molecular imaging of neurotransmission of 5-HT1A and 5-HT7 receptors and which we plan further development as clinical radiopharmaceuticals