La tomographie d’émission par positrons (TEP) est un outil qui permet, grâce à l’injection d’une dose de radiotraceur, de diagnostiquer et caractériser différents problèmes de santé, dont le cancer et les pathologies cardiaques. Pour exploiter cette modalité de l’imagerie médicale à son plein potentiel, plusieurs éléments, dont chacun comporte son lot de défis, doivent être réunis. La conversion des données fournies par la caméra TEP en une image interprétable par un spécialiste, dénommé la reconstruction TEP, est un sous-problème particulièrement intéressant. Ce problème a déjà été abordé à maintes reprises dans la littérature, et ce, dans plusieurs contextes différents. Parmi ceux-ci, la reconstruction d’une acquisition où le sujet, ou une partie de ce dernier, est en mouvement engendre, à cause des caractéristiques inhérentes de cette modalité, des données contaminées par ce même mouvement. Cette contamination peut, si elle n’est pas prise en compte, modifier l’image reconstruite et en fausser l’interprétation. Plusieurs méthodes ont été développées pour atténuer, voire éradiquer, la contamination de l’image reconstruite. Parmi celles-ci, il existe une sous- famille de méthodes spécialement conçues pour s’attaquer aux biais induits par des mouvements cycliques. En effet, les mouvements de type cyclique, i.e. le mouvement cardiaque ou respiratoire, possèdent une propriété particulière qui peut, moyennant certaines hypothèses, être exploitée dans la phase de reconstruction. Différentes approches ont été présentées dans la littérature pour exploiter cette particularité et chacune d’entre-elles offre son lot d’avantages et d’inconvénients. Afin d’obtenir des images de qualité semblable à celle obtenue à partir d’un sujet immobile, toutes ces approches nécessitent d’augmenter la dose de radiotraceur injectée dans le sujet. Cette augmentation sera dénommé le facteur de compensation de dose. L’objectif de cette maîtrise est d’étudier ces approches afin de diminuer le facteur de compensation de dose. Pour y parvenir, un compte-rendu sur l’état de l’art de cette problématique sera présenté. Ce compte-rendu est divisé en trois volets : une étude des propriétés théoriques de chacune de ces approches, une comparaison numérique de leurs performances et une revue des lacunes qui persistent dans ce domaine. L’analyse des propriétés théoriques a débouché sur la création d’une nouvelle variante d’une des approches. L’introduction de cette nouvelle méthode, dont la résolution est explicitée, permet d’établir des parallèles théoriques avec l’approche originelle. La comparaison, en terme de vitesse de convergence, de ces variantes semble indiquer que le nouveau modèle offre un gain en vitesse de reconstruction, et ce, sans perte de qualité. La caractérisation des modèles représentant chaque approche, résultant de leur analyse théorique, a permis de motiver l’utilisation de solveurs généraux. Une méthodologie a été développée pour effectuer la comparaison numérique des per-formances. Les résultats des tests de performance permettent de déceler une lacune commune à certaines approches. Une hypothèse sur la source de cet inconvénient de même que quelques arguments la soutenant sont formulés.

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.

Au Canada, la Société canadienne du cancer estime à 159900 le nombre de nouveaux cas de cancer en 2007. Selon le taux d'incidence, 39% des femmes et 44% des hommes développeront un cancer au cours de leur vie. Le cancer du sein est le cancer le plus diagnostiqué chez les femmes et affecte une canadienne sur neuf, alors que chez les hommes, le cancer de la prostate se développe chez un canadien sur huit. La tomographie d'émission par positrons (TEP) est une technique d'imagerie médicale non invasive permettant d'étudier les perturbations du fonctionnement cellulaire. Ainsi, son utilisation en oncologie permet de visualiser des foyers tumoraux avant l'apparition de changements morphologiques. Le 2-déoxy-2-[18 F]-fluoro-D-glucose ([18 F]FDG), un analogue du glucose, est le principal radiotraceur utilisé pour le diagnostic de divers types de cancers à l'aide de la TEP. Cependant, pour certains types de tumeurs, comme les cancers de la prostate et certains cancers du sein de type lobulaire, la sensibilité du [ 18 F]FDG demeure faible. Dans le cas du cancer de la prostate, la faible sensibilité du [18 F]FDG peut s'expliquer par une faible consommation de glucose dû à la croissance lente particulière aux cellules de la prostate. De plus, la forte excrétion du [18 F]FDG en circulation par la vessie adjacente à la prostate rend le diagnostic plus difficile. Dans ces cas, de nouveaux traceurs doivent être développés pour permettre un diagnostic plus efficace. De récentes études cliniques ont démontré le potentiel du [11 C]acétate pour imager les tumeurs de la prostate. L'avantage du [11 C]acétate par rapport au [18 F]FDG repose sur le fait que son métabolite, le [11 C]dioxyde de carbone, est expiré rapidement, diminuant ainsi la quantité de radioactivité filtrée par les reins et excrétée par la vessie. Les corps cétoniques, principalement l'acétoacétate et le [bêta]-hydroxybutyrate, sont connus pour être des sources alternatives de carburant pour le coeur, les reins, les muscles squelettiques et le cerveau. La littérature scientifique démontre qu'il existe une corrélation positive entre la disponibilité des corps cétoniques et leur consommation par les cellules tumorales. De plus, une augmentation de l'activité de l'enzyme initiale de la dégradation de l'acétoacétate, succinyle-CoA:acétoacétyl-CoA transférase, a été observée chez des cellules tumorales du foie en croissance. Ces résultats suggèrent que les cellules cancéreuses peuvent utiliser les corps cétoniques comme source d'énergie alternative. Notre laboratoire a développé une synthèse automatisée du [11 C]acétoacétate pour l'imagerie TEP du cerveau. En considérant les similitudes existantes entre les voies métaboliques de l'acétate et de l'acétoacétate, l'objectif de cette étude est d'évaluer le potentiel du [ 11 C]acétoacétate, comparativement au [11 C]acétate, comme traceur pour l'imagerie TEP des tumeurs mammaires et de la prostate chez un modèle animal. Ce mémoire présente les résultats des études in vitro et in vivo. Ces résultats offrent une meilleure compréhension du métabolisme des corps cétoniques au niveau des cellules tumorales. La captation du [11 C]acétoacétate au niveau des cellules de cancer de la prostate est en grande partie reliée à la synthèse des lipides. Cette relation n'est pas retrouvée au niveau de cellules de cancer mammaire. L'imagerie TEP au [11 C]acétoacétate a permis de visualiser les tumeurs mammaires ainsi que de la prostate au niveau de nos modèles animaux. Par ce fait, ce mémoire offre une alternative, soit le [11 C]acétoacétate, à l'imagerie du cancer avec la TEP lorsque le [18 F]FDG ne démontre pas une sensibilité suffisante.

L'athérosclérose est une maladie progressive qui peut débuter durant l'enfance et s'aggraver en vieillissant. De nos jours, les chercheurs ne l'étudient plus comme une maladie focale caractérisée par des symptômes produits par des sténoses mais plutôt comme une maladie systémique typifiée par des dysfonctions endothéliales et par l'inflammation. La tomographie d'émission par positrons (TEP), utilisée avec le fluorodésoxyglucose (FDG), est une technique d'imagerie non invasive qui fournit des images tomographiques de l'activité glycolytique dans les athéromes. Cette recherche a demandé une étude répétée de la consommation de FDG dans l'aorte et les artères iliaques et fémorales chez des personnes âgées en utilisant l'imagerie TEP-FDG. Ce projet a impliqué trois groupes distincts de sujets âgés. Aussi, il incluait l'utilisation de la rosuvastatine pour le traitement de l'hypercholestérolémie. La technique de la TEP-FDG a permis de détecter une augmentation des niveaux d'inflammation artérielle durant les 12 mois de l'étude. L'analyse quantitative par TEP-FDG serait efficace pour localiser l'inflammation et évaluer sa progression durant le processus de l'athérosclérose.

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Este trabalho apresenta um estudo sobre taxas de aniquilação de pósitrons em gases moleculares por meio do cálculo do parâmetro de aniquilação Zeff. O modelo Gribakin-Lee (GL) formula de maneira fenomenológica um mecanismo de captura do pósitron mediado por uma interação dipolar, descrevendo uma contribuição ressonante para Zeff dos modos vibracionais ativos-IR da molécula. Este modelo concorda muito bem quando testado aos halometanos no experimento com feixes de pósitrons, porém, falha quando aplicado ao experimento com pósitrons térmicos. Neste contexto, foram testadas algumas hipóteses para explicar a discordância entre o modelo GL aplicado ao experimento com feixes de pósitrons e ao experimento com pósitrons térmicos. Foi mostrado como o modelo GL pode ser obtido como um caso particular do formalismo dos operadores de projeção de Feshbach. As hipóteses testadas para explicar a discrepância entre os modelos foram: (i) desconsiderar a aproximação de largura zero, para uma convolução mais realista do parâmetro de aniquilação Zeff com a distribuição energética dos pósitrons; (ii) incluir combinações de modos vibracionais e overtones IR-ativos, além de modos com atividade Raman no cálculo de Zeff térmico; (iii) incluir ressonâncias rotacionais no modelo GL; e (iv) propor um modelo simplificado para a densidade eletrônica considerando a sua dependência em relação às coordenadas nucleares da molécula. Verificou-se que considerar larguras finitas na convolução de Zeff térmico e Zeff para o feixe não leva a uma diferença significativa em comparação com o modelo GL, sendo legítimo a utilização da aproximação de largura zero para as ressonâncias vibracionais de Feshbach. Quanto à inclusão de overtones e combinações ativos-IR, verificou-se que apesar deste método ser de extrema importância para ajustar Zeff no caso do experimento com feixes de pósitrons para as moléculas de metanol e etileno, a influência desta contribuição para Zeff térmico é modesta. Moléculas com baixíssimas energias de ligação, como o CH3F, podem apresentar uma possível contribuição rotacional para Zeff, representando quase que a totalidade da contribuição ressonante ao parâmetro de aniquilação. / This work presents a study of the rates of annihilation of positrons in molecular gases by calculating the annihilation parameter Zeff. The Gribakin-Lee (GL) model formulates a dipole-interaction-mediated positron capture mechanism, describing a resonant contribution to Zeff of the active-IR vibrational modes of the molecule. This model agrees very well when tested to the halomethanes in the experiment with positron beams, but fails when applied to the experiment with thermal positrons. In this context, some hypotheses were tested to explain the discrepancy between the GL model applied to the experiment with positron beams and the experiment with thermal positrons. It was shown how the GL model can be obtained as a particular case of the Feshbach projection operators formalism. The hypotheses tested to explain the discrepancy between the models were: (i) to disregard the zero-width approximation for a more realistic convolution of the annihilation parameter Zeff with the energy distribution of the positrons; (ii) to include combinations of IR-active vibrational modes and overtones, in addition to modes with Raman activity in the calculation of thermal Zeff; (iii) to include rotational resonances in the GL model and; (iv) to propose a simplified model for the electron density considering its dependence on the nuclear coordinates of the molecule. It has been found that considering finite widths in the convolution of thermal Zeff and Zeff for the beams does not lead to a significant difference from the GL model, being legitimate the use of the zero width approximation for the vibrational Feshbach resonances. Regarding the inclusion of overtones and combinations IR-active, it was found that although this method is of extreme importance to fit Zeff in the case of the experiment with positron beams for methanol and ethylene, the influence of this contribution to thermal Zeff is modest. Molecules with very low binding energies, such as CH3F, may present a possible rotational contribution to Zeff, representing almost the entire resonant contribution to the annihilation parameter.

Apresentamos neste trabalho uma formulação intitulada de Funcional-';C'; para estudar colisões de pósitrons de baixa energia em moléculas. Este formalismo, e baseado no método multicanal de Schwinger para pósitrons (SMCP) que embora seja um método geral (e aplicável a alvos de geometria arbitraria e inclui polarização e acoplamento multicanal) e limitado para o uso de funções quadraticamente integráveis (Gaussianas Cartesianas). Isto em principio não e problema considerando que o SMCP requer uma boa descrição da função de onda de espalhamento somente em regiões onde o potencial e diferente de zero, mas torna-se uma deficiência em situações envolvendo potenciais de longo alcance. O funcional-';C'; (FC), que representa o primeiro passo para a inclusão de ondas planas como função base no SMCP consiste em escrever a função de onda como a soma de uma onda plana mais uma combinação de funções teste (onde a combinação e determinada variacionalmente). A diferença básica entre os dois casos (SMCP e FC) e a presença do primeiro e do segundo termo de Born na amplitude de espalhamento do FC. Visando a preservação de importantes características do SMCP, desenvolvemos códigos computacionais gerais (aplicável para alvos poliatômicos) para calcular estes termos. Para testar o FC apresentamos seções de choque elásticas para o átomo de Helio e a molécula de Hidrogênio.

Nós apresentamos nessa tese uma nova formulação, para estudar colisão de pósitrons de baixa energia com moléculas, baseado no Método Multicanal de Schwinger (SMC), que foi anteriormente adaptado para espalhamento entre elétrons de baixa energia com moléculas. Nós preservamos algumas características que são importantes no SMC para elétrons, tais como: capacidade de lidar com espalhamento eletronicamente inelástico e aplicabilidade a alvos moleculares de geometria arbitrária. Nossa implementação também permite incluir um substancial número de canais eletronicamente fechados para representar os efeitos da polarização, que são muito importante em estudos de colisão a partículas incidente possue baixa energia. Como uma primenra aplicação, para ilustrar com a qual a polarização é representada nessa nova formulação, nós calculamos seções de choque diferenciais e integrais eláticas para colisões e+ - H2 e e+ - CH4.

Thesis (Ph.D.)--York University, 2007. Graduate Programme in Physics and Astronomy. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 99-102). Also available on the Internet. MODE OF ACCESS via web browser by entering the following URL: http://gateway.proquest.com/openurl?url_ver=Z39.88-2004&res_dat=xri:pqdiss&rft_val_fmt=info:ofi/fmt:kev:mtx:dissertation&rft_dat=xri:pqdiss:NR29318

published_or_final_version / Physics / Master / Master of Philosophy