[ES] Desde su creación en la década de 1950, las imágenes tomográficas han resultado muy valiosas en el ámbito médico ayudando tanto en el diagnóstico como en el tratamiento de múltiples enfermedades. Dentro de la imagen molecular, los escáneres PET (Tomografía por Emisión de Positrones) generan información detallada de la interacción de los radio-trazadores con el tejido de estudio, pudiendo combinar dicha información con imagen anatómica de escáneres TC (Tomografía Computarizada) o RM (Resonancia Magnética). Con el fin de aumentar las prestaciones de estos equipos, como la sensibilidad y la resolución espacial, los PET de cuerpo completo recientemente aumentan su cobertura axial. Sin embargo, el precio de estos dispositivos se multiplica, dificultando su compra en muchos hospitales y centros de investigación. Como alternativa, los escáneres PET específicos de órganos manejan un menor número de detectores haciéndolos más económicos. El objetivo de este tipo de escáneres es mejorar el rendimiento de los dispositivos acercando los detectores al paciente lo máximo posible, optimizando su diseño para un órgano en específico. Otra ventaja es la posible portabilidad de los aparatos. En esta tesis introducimos dos posibles diseños de PET específicos orientados a distintos órganos y con diferente tecnología y geometría y además un escáner preclínico con una geometría novedosa. El primer escáner fue construido de un proyecto nacional llamado PROSPET, fue diseñado y optimizado para hacer imagen de la próstata, debido a la conocida elevada tasa de cáncer de próstata en hombres. El 17% de la población masculina sufrirá cáncer de próstata. El detector escogido para este diseño está compuesto por cristales centelladores monolíticos acoplados a una matriz de fotomultiplicadores de silicio. Inicialmente se pensó en crear un escáner compuesto por dos palas. Sin embargo, los resultados con pacientes no fueron satisfactorios debido a la falta de información angular y la ausencia de información temporal precisa en los detectores. Por tanto, se construyó una configuración de anillo con un diámetro reducido en comparación con escáneres de cuerpo completo. Se apreció un aumento en la sensibilidad y la resolución espacial, así como una buena calidad de imagen utilizando fantomas. El segundo escáner, llamado proyecto CardioPET, está orientado a visualizar el corazón cuando el paciente está sometido a condiciones de estrés farmacológico. Para este dispositivo se utilizó el diseño de dos palas, pero usando cristales pixelados, mejorando la resolución temporal, permitiendo implantar algoritmos de tiempo de vuelo. Se han montado y testeado dos palas tanto con simulaciones como experimentalmente con buenas prestaciones. Además, se procedió a registrar el movimiento de las fuentes de radiación con el fin de aplicar correcciones de movimiento con la ayuda de una cámara externa y unos marcadores ARUCO. Los algoritmos de corrección de movimiento fueron testeados, demostrando un buen funcionamiento. El último dispositivo fue diseñado para optimizar la configuración PET de anillo lo máximo posible. Para ello, se eliminaron los espaciados entre detectores en un escáner pequeño de animales, creando un único detector centellador de forma cilíndrica. Con esto se busca aumentar la sensibilidad, pues ya no se pierden interacciones en los huecos, y también la resolución espacial. Dos prototipos fueron testeados con simulaciones, y validados experimentalmente. El primero con caras de salida planas y el segundo totalmente cilíndrico. En ambos diseños se observaron efectos debidos a la curvatura del detector que necesariamente han de ser compensados con una calibración. / [CA] Des de la seua creació en la dècada de 1950, les imatges tomogràfiques hi han resultat molt valuoses en àmbit mèdic ajudant tant en el diagnòstic com en el tractament de moltes malalties. Dins de la imatge molecular, els escàners PET (Tomografia per Emissió de Positrons) generen informació detallada de la interacció dels traçadors amb el teixit del pacient, podent combinar aquesta informació amb imatge anatòmica d'escàners TC (Tomografia Axial Automatitzada) o RM (Ressonancia Magnètica). Amb el fi d'augmentar les prestacions d’aquests equips, els PET de cos complet augmenten la seua cobertura axial, multiplicant el preu dels dispositius i dificultant la seua compra en hospitals i centres d’investigació. Com a alternativa, els escàners PET específics d'òrgans utilitzen un menor nombre de detectors resultant així un preu més econòmic. Un altre avantatge és la possible portabilitat dels aparells. En aquesta tesi abordem tres possibles dissenys de PET específics orientats a diferents òrgans i amb diferent tecnologia i geometria. El primer de tots, un projecte nacional denominat PROSPET, ha sigut dissenyat i optimitzat per a fer imatge de la pròstata, ja que és molt coneguda l'elevada taxa de càncer de pròstata en homes. El 17% de población masculina patirà càncer de pròstata. El detector escollit per a aquest disseny està format per cristals centellejadors monolítics acoblats a una matriu de fotomultiplicadors de silici. De primeres es va pensar a crear un escàner compost per dues pales, ja que permetria disposar els detectors molt a prop del pacient. El resultat no va ser molt satisfactori a causa de la falta d'informació angular i l'absència d'informació temporal precisa. Per tant, l'última iteració va consistir en una configuració d'anell amb un diàmetre reduït en comparació amb els escàners de cos complet. Es va observar una millora en la sensibilitat i la resolució espacial, així com una qualitat d'imatge acceptable. El segon dispositiu va ser dissenyat per a optimitzar la configuració d'anell el màxim possible. Per això es van llevar els espaiats entre detectors, creant un únic detector de forma cilíndrica. Amb aquest disseny es busca augmentar la sensibilitat, ja que no es perden interaccions en els espaiats, i també la resolució espacial. Dos prototips van ser testejats amb simulacions i validats experimentalment. El primer amb cares d'eixida planars i el segon totalment cilíndric. En els dos dissenys es va observar efectes deguts a la curvatura del detector que necessàriament ha de ser compensat amb una calibració. L’últim escàner, denominat projecte CardioPET, està orientat a visualitzar el cor durant el pacient quan és sotmés a condicions d'estrés farmacologic. escàner, denominat projecte CardioPET, està orientat a visualitzar el cor durant el pacient quan és sotmés a condicions d'estrés. Es va recuperar el disseny de les pales per aquest dispositiu, però utilitzant cristals pixelats, millorant la resolució temporal. Dues pales van ser muntades i testejades tant amb simulacions com experimentalment amb bones prestacions. A més, es va registrar el moviment de les fonts de radiació amb la fi d'aplicar correcció de moviment amb l'ajuda d'una càmera externa i uns marcadors ARUCO. Els algoritmes de correcció de moviment també van ser testejats, demostrant un bon funcionament. L'últim dispositiu va ser dissenyat per a optimitzar la configuració d'anell el màxim possible. Per això es van llevar els espaiats entre detectors, creant un únic detector de forma cilíndrica. Amb aquest disseny es busca augmentar la sensibilitat, ja que no es perden interaccions en els espaiats, i també la resolució espacial. Dos prototips van ser testejats amb simulacions i validats experimentalment. El primer amb cares d'eixida planars i el segon totalment cilíndric. En els dos dissenys es va observar efectes deguts a la curvatura del detector que necessàriament ha de ser compensat amb una calibració. / [EN] Since their introduction in the 1950-decade, tomographic images have become very valuable in the medical field helping both in diagnostics and in a variety of illnesses treatment. In the molecular imaging field, Positron Emission Tomography (PET) provides accurate information of the radio-tracers interactions with the patient tissue. Moreover, it is possible to combine this information with anatomical images provided by CT (Computed Tomography) or MR (Magnetic Resonance) scanners. With the aim to improve PET systems performance, such as the spatial resolution and the sensitivity, whole body (WB) PET scanners with large axial coverage are recently proposed. However, the system cost increases and, thus, makes difficult their installation in many hospitals or research centers. Organ-dedicated PET scanners, as an alternative to such large systems, use a lower number of detectors, so their price is considerably more economical. The goal of this kind of systems is to boost PET performance by placing the detectors as close as possible to the patient, optimizing the design for a specific organ instead of a large volume. Other advantage of these scanners is their portability. In this thesis we have worked in the design and validation of two organ-dedicated PET scanners with different geometries and technologies, as well as in a novel pre-clinical PET. The first scanner was the result from a national project called PROSPET. A PET system was designed and optimized to image the prostate area. Notice there is a high incidence rate of prostate cancer in the male population. 17% of male population will suffer prostate cancer. For this scanner, the detector modules were composed by a monolithic LYSO scintillation block coupled to a photosensor array based on silicon photomultipliers (SiPM). The first design configuration was made by two panels. However, patient results were not satisfactory due to the lack of angular information and the poor detector time resolution. Therefore, it was rebuilt in a ring configuration with a reduced diameter in comparison with WB-PET scanners. A high sensitivity and spatial resolution were found, as well as a good image quality using phantoms. The second PET scanner, called CardioPET, also arose from a national grant, and it was implemented to visualize the heart area when the patient is under stress condition. The two panels geometry was also implemented for this system, but using pixelated crystals, therefore improving the detector time resolution and allowing to use time of flight (TOF) reconstruction algorithms. Two panels were mounted and tested with both simulation and experimental data with good results. Furthermore, the patient motion was registered applying movement correction techniques with the help of an external optical camera device and ARUCO markers. These algorithms were tested showing a good performance. The last device that we worked within this PhD thesis was designed to optimize the classical ring PET configuration as much as possible. To do so, the gaps between the detector modules in a small animal PET were eliminated by building a single detector with a cylindrical scintillator shape. The goal is to improve the sensitivity, given that there are no event losses in the gaps and to also boost the spatial resolution since there are not edges. Two prototypes were tested with simulations, and experimentally validated as well. The first of them was built with planar outer faces whereas the second was fully cylindrical. In both designs some effects originated from the detector curvature were observed and successfully corrected during the calibration. / This thesis was supported by a FPI grant under 2017-08582 reference in the PhD program: “Programa de Doctorado en Tecnologías para la Salud y el Bienestar” belonging to the Polytechnic University of Valencia. The grant was supported by the “Consejo Superior de Investigaciones Científicas” together with the “Agencia Estatal de Investigación” and the “Fondo Social Europeo”. / Cañizares Ledo, G. (2022). Characterization of Dedicated PET Equipment with Non-Conventional Geometry [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/184977 / TESIS

La Tomographie à Emission de Positrons (TEP) permet d'obtenir une mesure dynamique et résolue en espace de la concentration d'un traceur radioactif injecté au patient. La quantification du débit sanguin cérébral par TEP repose sur l'utilisation d'un modèle cinétique le reliant à la variation spatio-temporelle de la concentration du traceur dans le cerveau. Différents modèles cinétiques sont proposés dans la littérature. Cependant, la majorité d'entre eux repose sur une modélisation compartimentale de l'organe observé. Dans ce cas, l'organe est subdivisé en un compartiment capillaire échangeant avec un compartiment tissulaire par une cinétique le plus souvent du premier ordre. Les résultats obtenus avec ce type de modèle sous-estiment le débit et ne permettent pas de prédire les premiers instants de la dynamique de répartition du traceur. Ces faiblesses ont été confirmées suite à l'amélioration de la résolution temporelle des tomographes, conduisant à l'élaboration de modèles incorporant plus de réalité physiologique. Cependant, tous ces modèles sont développés pour modéliser les échanges entre la micro-circulation et le tissu environnant à l'échelle d'un capillaire (échelle microscopique). Or la résolution spatiale des tomographes utilisés en clinique ne permet pas de distinguer la micro-circulation et le tissu. L'utilisation de ces modèles cinétiques avec des mesures de concentrations macroscopiques dépasse donc leur cadre théorique de validité et peut introduire des résultats faussés. Dans ce contexte, nous proposons un modèle cinétique basé sur le changement d'échelle (utilisant la méthode de prise de moyenne volumique). Ce changement d'échelle permet de remplacer l'ensemble micro-circulation/tissu par un volume fictif, homogène, dont les propriétés macroscopiques sont calculées à partir des propriétés microscopiques d'un Volume Elémentaire Représentatif (VER) du milieu. Dans un premier temps, afin de pouvoir comparer les résultats de ce modèle avec ceux du modèle compartimental standard, le VER considéré est constitué d'un capillaire unique et de son enveloppe de tissu, puis une complexité géométrique supplémentaire est introduite en considérant un réseau de capillaire isotrope à l'échelle de Darcy. Ces modèles sont utilisés pour identifier le débit à l'aide d'une méthode inverse. Pour cela, l'évolution temporelle du champ de concentration dans notre géométrie de référence, qui ne peut être mesurée par TEP en raison de sa faible résolution spatiale, est déterminée par des simulations numériques ainsi que par des mesures in vitro à l'aide d'un modèle expérimental, également développé au cours de ce travail, permettant de reproduire l'écoulement dans un canal traversant une matrice diffusante (gel d'alginate). / Positron Emission Tomography (PET) provides a dynamic and space-resolved measurement of the concentration field of a radioactive tracer previously injected to the patient. Quantification of cerebral blood flow by PET is based on the use of a kinetic model linking cerebral blood flow to the spatial and temporal variations of tracer concentration in the brain. Various kinetic models have been proposed in the literature. However, most of the mare based on a compartmental approach of the observed organ In this case, the organ is divided in two compartments, the capillary and the tissue, and the exchanges between these two compartments are often described by a first order kinetic model. Results obtained with this kind of model under estimate the flow rate and are notable to predict the first instants of the tracer dynamics distribution. With the continuous improvement of the temporal resolution of PET, these weaknesses have been confirmed, which led to the development of models incorporating more physiological reality. However, all these models have been developed to describe exchanges between micro-circulation and surrounding tissue at the scale of capillary vessels (microscopic scale). Because the spatial resolution of PET inclinical practice is insufficient to allow the distinction between micro-circulation and tissue, using of these models with kinetic measurement of macroscopic concentrations exceeds their theoretical validity and can introduce false results. In this context, we propose a kinetic model based on up-scaling (using the method of volume averaging). This up-scaling technique allows to replace the two previous compartments (tissue and micro-circulation) by an homogeneous fictive volume, whose macroscopic properties are calculated from the microscopic properties of are presentative elementary volume (REV) of the medium. First, in order to compare the results of this model with those of the standard compartmental model, the considered REV consists of a single capillary and its surrounding tissue. Second, additional geometric complexity is introduced by considering an isotropic capillary network at the Darcy scale. These models are used to identify the flow rate using an inverse method. For that purpose, the temporal evolution of concentration field in a geometry of reference, which can't be measured by PET due to its low spatial resolution, is determined by numerical simulations and by in vitro measurements. These measurements are performed using an experimental model developed during this work to reproduce the flow in a channel passing through a diffusive matrix (alginate gel).

La tomographie d’émission par positrons (TEP) est une modalité d’imagerie moléculaire utilisant des radiotraceurs marqués par des isotopes émetteurs de positrons permettant de quantifier et de sonder des processus biologiques et physiologiques. Cette modalité est surtout utilisée actuellement en oncologie, mais elle est aussi utilisée de plus en plus en cardiologie, en neurologie et en pharmacologie. En fait, c’est une modalité qui est intrinsèquement capable d’offrir avec une meilleure sensibilité des informations fonctionnelles sur le métabolisme cellulaire. Les limites de cette modalité sont surtout la faible résolution spatiale et le manque d’exactitude de la quantification. Par ailleurs, afin de dépasser ces limites qui constituent un obstacle pour élargir le champ des applications cliniques de la TEP, les nouveaux systèmes d’acquisition sont équipés d’un grand nombre de petits détecteurs ayant des meilleures performances de détection. La reconstruction de l’image se fait en utilisant les algorithmes stochastiques itératifs mieux adaptés aux acquisitions à faibles statistiques. De ce fait, le temps de reconstruction est devenu trop long pour une utilisation en milieu clinique. Ainsi, pour réduire ce temps, on les données d’acquisition sont compressées et des versions accélérées d’algorithmes stochastiques itératifs qui sont généralement moins exactes sont utilisées. Les performances améliorées par l’augmentation de nombre des détecteurs sont donc limitées par les contraintes de temps de calcul. Afin de sortir de cette boucle et permettre l’utilisation des algorithmes de reconstruction robustes, de nombreux travaux ont été effectués pour accélérer ces algorithmes sur les dispositifs GPU (Graphics Processing Units) de calcul haute performance. Dans ce travail, nous avons rejoint cet effort de la communauté scientifique pour développer et introduire en clinique l’utilisation des algorithmes de reconstruction puissants qui améliorent la résolution spatiale et l’exactitude de la quantification en TEP. Nous avons d’abord travaillé sur le développement des stratégies pour accélérer sur les dispositifs GPU la reconstruction des images TEP à partir des données d’acquisition en mode liste. En fait, le mode liste offre de nombreux avantages par rapport à la reconstruction à partir des sinogrammes, entre autres : il permet d’implanter facilement et avec précision la correction du mouvement et le temps de vol (TOF : Time-Of Flight) pour améliorer l’exactitude de la quantification. Il permet aussi d’utiliser les fonctions de bases spatio-temporelles pour effectuer la reconstruction 4D afin d’estimer les paramètres cinétiques des métabolismes avec exactitude. Cependant, d’une part, l’utilisation de ce mode est très limitée en clinique, et d’autre part, il est surtout utilisé pour estimer la valeur normalisée de captation SUV qui est une grandeur semi-quantitative limitant le caractère fonctionnel de la TEP. Nos contributions sont les suivantes : - Le développement d’une nouvelle stratégie visant à accélérer sur les dispositifs GPU l’algorithme 3D LM-OSEM (List Mode Ordered-Subset Expectation-Maximization), y compris le calcul de la matrice de sensibilité intégrant les facteurs d’atténuation du patient et les coefficients de normalisation des détecteurs. Le temps de calcul obtenu est non seulement compatible avec une utilisation clinique des algorithmes 3D LM-OSEM, mais il permet également d’envisager des reconstructions rapides pour les applications TEP avancées telles que les études dynamiques en temps réel et des reconstructions d’images paramétriques à partir des données d’acquisitions directement. - Le développement et l’implantation sur GPU de l’approche Multigrilles/Multitrames pour accélérer l’algorithme LMEM (List-Mode Expectation-Maximization). L’objectif est de développer une nouvelle stratégie pour accélérer l’algorithme de référence LMEM qui est un algorithme convergent et puissant, mais qui a l’inconvénient de converger très lentement. Les résultats obtenus permettent d’entrevoir des reconstructions en temps quasi-réel que ce soit pour les examens utilisant un grand nombre de données d’acquisition aussi bien que pour les acquisitions dynamiques synchronisées. Par ailleurs, en clinique, la quantification est souvent faite à partir de données d’acquisition en sinogrammes généralement compressés. Mais des travaux antérieurs ont montré que cette approche pour accélérer la reconstruction diminue l’exactitude de la quantification et dégrade la résolution spatiale. Pour cette raison, nous avons parallélisé et implémenté sur GPU l’algorithme AW-LOR-OSEM (Attenuation-Weighted Line-of-Response-OSEM) ; une version de l’algorithme 3D OSEM qui effectue la reconstruction à partir de sinogrammes sans compression de données en intégrant les corrections de l’atténuation et de la normalisation dans les matrices de sensibilité. Nous avons comparé deux approches d’implantation : dans la première, la matrice système (MS) est calculée en temps réel au cours de la reconstruction, tandis que la seconde implantation utilise une MS pré- calculée avec une meilleure exactitude. Les résultats montrent que la première implantation offre une efficacité de calcul environ deux fois meilleure que celle obtenue dans la deuxième implantation. Les temps de reconstruction rapportés sont compatibles avec une utilisation clinique de ces deux stratégies. / Positron emission tomography (PET) is a molecular imaging modality that uses radiotracers labeled with positron emitting isotopes in order to quantify many biological processes. The clinical applications of this modality are largely in oncology, but it has a potential to be a reference exam for many diseases in cardiology, neurology and pharmacology. In fact, it is intrinsically able to offer the functional information of cellular metabolism with a good sensitivity. The principal limitations of this modality are the limited spatial resolution and the limited accuracy of the quantification. To overcome these limits, the recent PET systems use a huge number of small detectors with better performances. The image reconstruction is also done using accurate algorithms such as the iterative stochastic algorithms. But as a consequence, the time of reconstruction becomes too long for a clinical use. So the acquired data are compressed and the accelerated versions of iterative stochastic algorithms which generally are non convergent are used to perform the reconstruction. Consequently, the obtained performance is compromised. In order to be able to use the complex reconstruction algorithms in clinical applications for the new PET systems, many previous studies were aiming to accelerate these algorithms on GPU devices. Therefore, in this thesis, we joined the effort of researchers for developing and introducing for routine clinical use the accurate reconstruction algorithms that improve the spatial resolution and the accuracy of quantification for PET. Therefore, we first worked to develop the new strategies for accelerating on GPU devices the reconstruction from list mode acquisition. In fact, this mode offers many advantages over the histogram-mode, such as motion correction, the possibility of using time-of-flight (TOF) information to improve the quantification accuracy, the possibility of using temporal basis functions to perform 4D reconstruction and extract kinetic parameters with better accuracy directly from the acquired data. But, one of the main obstacles that limits the use of list-mode reconstruction approach for routine clinical use is the relatively long reconstruction time. To overcome this obstacle we : developed a new strategy to accelerate on GPU devices fully 3D list mode ordered-subset expectation-maximization (LM-OSEM) algorithm, including the calculation of the sensitivity matrix that accounts for the patient-specific attenuation and normalisation corrections. The reported reconstruction are not only compatible with a clinical use of 3D LM-OSEM algorithms, but also lets us envision fast reconstructions for advanced PET applications such as real time dynamic studies and parametric image reconstructions. developed and implemented on GPU a multigrid/multiframe approach of an expectation-maximization algorithm for list-mode acquisitions (MGMF-LMEM). The objective is to develop new strategies to accelerate the reconstruction of gold standard LMEM (list-mode expectation-maximization) algorithm which converges slowly. The GPU-based MGMF-LMEM algorithm processed data at a rate close to one million of events per second per iteration, and permits to perform near real-time reconstructions for large acquisitions or low-count acquisitions such as gated studies. Moreover, for clinical use, the quantification is often done from acquired data organized in sinograms. This data is generally compressed in order to accelerate reconstruction. But previous works have shown that this approach to accelerate the reconstruction decreases the accuracy of quantification and the spatial resolution. The ordered-subset expectation-maximization (OSEM) is the most used reconstruction algorithm from sinograms in clinic. Thus, we parallelized and implemented the attenuation-weighted line-of-response OSEM (AW-LOR-OSEM) algorithm which allows a PET image reconstruction from sinograms without any data compression and incorporates the attenuation and normalization corrections in the sensitivity matrices as weight factors. We compared two strategies of implementation: in the first, the system matrix (SM) is calculated on the fly during the reconstruction, while the second implementation uses a precalculated SM more accurately. The results show that the computational efficiency is about twice better for the implementation using calculated SM on-the-fly than the implementation using pre-calculated SM, but the reported reconstruction times are compatible with a clinical use for both strategies.

Introdução: A tomografia por emissão de pósitrons (PET) permite a avaliação in vivo de alvos moleculares em doenças neurodegenerativas, como a doença de Alzheimer (DA). A deposição de placa Beta-amiloide pode ser avaliada por PET 11C-PIB, enquanto o PET 18F-FDG é utilizado para avaliar o metabolismo da glicose cerebral, que pode ser um indicador de lesão neuronal e disfunção sináptica. Além disso, a captação cerebral precoce de radiofármacos de PETamiloide pode determinar o fluxo sanguíneo cerebral regional. Mais estudos correlacionando a fase inicial de perfusão do 11C-PIB (11C-pPIB) e 18F-FDG ainda são necessários, considerando que o fluxo sanguíneo e o metabolismo da glicose cerebral são geralmente acoplados em repouso e durante as ativações neuronais. Objetivo: Avaliar se existe concordância diagnóstica e/ou topográfica entre a imagem na fase de perfusão do 11C-PIB (11C-pPIB), obtida entre 0 e 10 minutos, e a imagem metabólica de PET 18F-FDG através da quantificação por SPM (Statistical Parametric Mapping) e por análise visual, em sujeitos com DA e CCLa comparados aos controles idosos saudáveis. Métodos: CAPEPesq: Nº1.454.598. Noventa e três sujeitos foram alocados em três grupos de acordo com o diagnóstico clínico: doença de Alzheimer (DA - n = 27); Comprometimento Cognitivo Leve amnéstico (CCLa - n = 39); Controle idosos saudáveis (n = 27), estes foram submetidos a exames de imagens de RM ponderada em T1 e de PET/CT. A PET/CT 18F-FDG foi realizada 30 minutos após a injeção do radiofármaco e a PET/CT 11C-pPIB foi adquirida imediatamente após a injeção do radiofármaco, e os primeiros 10 minutos da aquisição foram considerados na análise. Imagens de PET foram corrigidas para efeito de volume parcial e as imagens foram espacialmente normalizadas utilizando um modelo anatômico personalizado da própria amostra (template), para análise por Mapa Estatístico Paramétrico (SPM8). A análise visual e individual foi realizada por dois médicos nucleares com experiência na área, cegos em relação à identificação das imagens, seus respectivos radiofármacos e diagnóstico clínico. Eles foram solicitados a fornecer um diagnóstico e indicar uma classificação com base na inspeção visual das imagens de 18F-FDG e 11CpPIB, e também na avaliação individual dos mapas-t de SPM (análise baseada em voxel comparando um único sujeito do grupo DA com um grupo de controle cognitivamente normal). Resultados e Discussão: Na análise por SPM, o 11CpPIB mostrou menor captação difusa cortical do que 18F-FDG. Na análise entre grupos, há uma diferença na captação de 11C-pPIB e 18F-FDG, o que é esperado, uma vez que a biodistribuição é uma propriedade particular de cada biomarcador de PET. Na comparação do grupo DA em relação ao grupo controle, os indivíduos com DA apresentaram diminuição da captação de 11C-pPIB nas regiões temporo-límbicas: amígdala e hipocampo (E = esquerdo) P = 0,006, amígdala e hipocampo (D = direito) P = 0,023; giro parahipocampal (E) P = 0,008 (D) P = 0,015; temporal superior (E) P = 0,012 (D) P = 0,015. No 18F-FDG, houve diminuição da captação no grupo DA comparado ao grupo controle nas seguintes regiões: córtex do cíngulo posterior (E) P = 0,028; pré-cuneus (E) P= 0,029; giro temporal médio (E) P = 0,039; giro temporal inferior (E) P = 0,044. Na comparação do grupo CCLa em relação ao grupo controle, os indivíduos com CCLa apresentaram diminuição da captação de 11C-pPIB na região do giro parahipocampal (E) P = 0,012. Na identificação visual, 100% das imagens PET 18F-FDG e 99% das imagens PET 11C-pPIB foram corretamente identificadas. Na análise visual e individual, foram observadas reduções na captação de 11CpPIB envolvendo a região temporal medial nos indivíduos com DA que não foi detectada pelo 18F-FDG. Isso poderia significar algum tipo de dissociação entre a perfusão e o metabolismo. Conclusão: Nossos achados sugerem que não há concordância diagnóstica e topográfica perfeita entre a imagem do metabolismo de glicose por PET com 18F-FDG e o padrão de perfusão cerebral usando o marcador PET 11C-PIB em certas estruturas cerebrais em idosos saudáveis, CCLa e pacientes com DA, na quantificação por SPM e na análise visual. Como um biomarcador duplo, a PET 11C-pPIB pode fornecer informações complementares sobre alterações fisiológicas no envelhecimento, e ajudar a elucidar e entender melhor a patologia das doenças relacionadas a memória / Introduction: Positron emission tomography (PET) allows in vivo evaluation of molecular targets in neurodegenerative diseases, such as Alzheimer´s Disease (AD). Beta-amyloid plaque deposition can be assessed by 11C-PIB PET while 18FFDG PET is used to assess cerebral glucose metabolism, which can be an indicator for neuronal injury and synaptic dysfunction. In addition, early cerebral uptake of PET-amyloid radiopharmaceuticals can determine regional cerebral blood flow. More studies correlating early-phase 11C-PIB (11C-pPIB) and 18F-FDG are still needed considering that blood flow and cerebral glucose metabolism are usually coupled at rest and during neuronal activations. The aim of this study is to evaluate topographic similarities and differences between cerebral perfusion images obtained with early 11C-PIB PET images and the metabolic images obtained with 18F-FDG PET. Methods: CAPEPesq: Nº1.454.598. Ninety-three subjects were allocated into three groups according to clinical diagnosis: Alzheimer\'s disease (AD, n=27); Mild Cognitive Impairment amnestic (aMCI, n=39); Elderly healthy control (n=27), they underwent T1-weighted MRI and PET/CT imaging. 18F-FDG PET/CT acquisition was performed 30 minutes after tracer injection and 11C-pPIB PET/CT was acquired immediately after the tracer injection and the first 10 minutes of the acquisition was considered in the analysis. PET images were corrected for partial volume effect and the images were spatially normalized using a custom anatomical template of the sample itself, for analysis by Statistical Parametric Mapping (SPM8). Visual and individual analysis were performed by two experient nuclear medicine physicians, blind in relation to the identification of the images, their respective radiopharmaceuticals and clinical diagnosis. They were asked to provide a diagnosis and to indicate their level of confidence on the basis of visual inspection of 18F-FDG and 11C-pPIB images, and also individual assessment of SPM t-maps (voxel-based analysis comparing a single subject of AD group to a cognitively normal control group). Results and Discussion: In the analysis by SPM, the 11C-pPIB showed lower cortical diffuse uptake than 18F-FDG. In the analysis between groups, there is a difference in 11CpPIB and 18F-FDG uptake, what is expected since biodistribution is a particular propriety of each PET tracer. The control group versus the AD group, individuals with AD presented a decreased 11C-pPIB uptake in the temporo-limbic regions: amygdala and hippocampal (L = left) P = 0.006; amygdala and hippocampal (R = right) P = 0.023; parahippocampal gyrus (L) P = 0.008 (R) P = 0.015; and superior temporal (L) P = 0.012 (R) P = 0.015. In the 18F-FDG, there was a decreased uptake in the AD group compared to the control group in the following regions: posterior cingulate cortex (L) P = 0.028; precuneus (L) P= 0.029; medial temporal gyrus (L) P = 0.039; and inferior temporal gyrus (L) P = 0.044. In the comparison of aMCI group versus the control group, individuals with aMCI presented a decreased 11C-pPIB uptake in the region: parahippocampal gyrus (L) P = 0.012. In the visual identification, 100% of 18F-FDG PET images and 99% of 11C-pPIB PET images were correctly recognized. In the visual and individual analysis, it was observed reductions in 11C-pPIB uptake involving medial temporal region in the AD subjects that was not detected by 18F-FDG.This could mean some kind of decoupling between perfusion and metabolism. Conclusion: Our findings suggest that there is no perfect diagnostic and topographical concordance between the imaging of 18F-FDG PET glucose and the cerebral perfusion pattern using the 11C-PIB PET marker in certain brain structures in healthy elderly, aMCI and patients suggestive of AD, quantification by SPM and visual analysis. As a double biomarker, 11C-PIB can provide complementary information on pathological aging of the brain, and it could help elucidate and better understand the pathology of memory-related diseases

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.

Une émission gamma à 511 keV est observée depuis le début des années 1970 dans la direction du centre Galactique. Cette émission est la signature de l'annihilation d'électrons avec des positrons qui sont les antiparticules des électrons. Malheureusement, l'origine de ces positrons galactiques reste à l'heure actuelle un mystère. De nombreuses sources de positrons ont été proposées mais elles présentent toutes des difficultés à expliquer cette émission d'annihilation galactique. Celle-ci possède une distribution spatiale particulière. Depuis 2002, le spectromètre SPI à bord de l'observatoire spatial INTEGRAL révèle une émission fortement concentrée dans le bulbe galactique et une faible émission en provenance du disque galactique. Cette distribution spatiale est totalement atypique car elle ne ressemble à aucune distribution galactique connue, que ce soit d'une population stellaire ou d'un gaz interstellaire. L'hypothèse selon laquelle les positrons s'annihilent à proximité de leur source (c.-à-d. que la distribution spatiale de l'émission d'annihilation est identique à la distribution spatiale des sources) a donc été remise en cause. Des études récentes semblent suggérer que les positrons pourraient se propager loin de leur source avant de s'annihiler. Ceci permettrait de résoudre éventuellement l'énigme sur l'origine des positrons galactiques. Cette thèse a été consacrée à modéliser la propagation puis l'annihilation des positrons dans la Galaxie, dans le but de comparer des modèles spatiaux de l'émission d'annihilation aux dernières données mesurées par SPI/INTEGRAL. Cette méthode nous permet en effet de poser des contraintes sur l'origine des positrons galactiques. Nous avons donc développé un code de simulation Monte Carlo de transport des positrons dans la Galaxie dans lequel nous avons implémenté toutes les connaissances théoriques et observationnelles de la physique des positrons (sources, modes de transport, pertes en énergie, modes d'annihilation) et du milieu interstellaire de la Galaxie (distributions du gaz interstellaire, champs magnétiques galactiques, structure des phases gazeuses). Dues aux incertitudes entourant de nombreux paramètres physiques (champs magnétique du halo galactique, structure des phases du milieu interstellaire, etc.), nous avons implémenté plusieurs modèles pouvant potentiellement rendre compte de ces paramètres. Ces paramétrages différents de la Galaxie nous ont ainsi permis d'estimer leur impact sur la propagation et l'émission d'annihilation des positrons. Nous avons appliqué ce code à l'étude des positrons émis par la décroissance β+ de l'26Al, du 44Ti et du 56Ni qui sont continûment produits dans la Galaxie au coeur des étoiles massives et des explosions de supernovae. Nous avons étudié ces sources car l'idée que celles-ci pourraient expliquer l'émission d'annihilation galactique est largement répandue depuis des décennies. Nous avons montré que, peu importe le paramétrage de la Galaxie, ces positrons permettent d'expliquer l'émission du disque mais pas la totalité de l'émission du bulbe. La raison est simple : ces positrons ne se propagent pas très loin de leur source avant de s'annihiler. Dans ce cadre, une source supplémentaire de positrons dans le bulbe est nécessaire pour rendre compte de la totalité de l'émission. Nous avons montré qu'une source transitoire de positrons (d'énergie ~MeV) située au centre de la Galaxie pourrait expliquer l'émission du bulbe.

Positron emission tomography (PET) is a functional imaging method that allows studying physiological, biochemical or pharmacological processes in vivo. PET is being used in both research and clinical practice. In the brain, it has been used to investigate metabolism, receptor binding, and alterations in regional blood flow. This thesis involves both preclinical and clinical dual-tracer PET imaging studies of different neurological disorders. In this way, different radiotracers were used along the projects. The first project focused on the implementation and in vivo validation of the simultaneous dual-tracer PET imaging technique on the rat brain and its applications in the study of cerebral ischemia. In particular, in this project two biological processes were studied at the same time: cerebral blood flow and cerebral glucose metabolism. The second project consisted in a clinical correlation study of the GABAergic and serotonin systems in a population with Essential Tremor (ET), the most commonly movement disorders. / La tomografia per emissió de positrons (PET) és un mètode d'imatge funcional que permet l'estudi in vivo de processos fisiològics, bioquímics i farmacològics. La PET s'utilitza tant en la pràctica clínica com en la recerca. Al cervell, s'ha utilitzat per investigar el metabolisme, la neurotransmissió, i les alteracions en el flux sanguini regional. Aquesta tesi implica estudis preclínics i clínics de la tècnica PET en diversos trastorns neurològics. D'aquesta manera, es van utilitzar diferents radiotraçadors al llarg dels projectes. El primer projecte es va centrar en la implementació i validació in vivo de la tècnica PET del doble-marcador simultani en el cervell de rata i les seves aplicacions en l'estudi de la isquèmia cerebral. En particular, en aquest projecte es van estudiar en el mateix moment dos processos biològics: el flux sanguini cerebral i el metabolisme cerebral de la glucosa. El segon projecte va consistir en un estudi clínic de correlació dels sistemes GABAèrgic i serotoninèrgic en una població amb tremolor essencial (TE), el trastorn del moviment més comú

La radiothérapie est une des méthodes principales utilisée dans le traitement thérapeutique des tumeurs malignes. Pour améliorer son efficacité, deux problèmes essentiels doivent être soigneusement traités : la prédication fiable des résultats thérapeutiques et la segmentation précise des volumes tumoraux. La tomographie d’émission de positrons au traceur Fluoro- 18-déoxy-glucose (FDG-TEP) peut fournir de manière non invasive des informations significatives sur les activités fonctionnelles des cellules tumorales. Les objectifs de cette thèse sont de proposer: 1) des systèmes fiables pour prédire les résultats du traitement contre le cancer en utilisant principalement des caractéristiques extraites des images FDG-TEP; 2) des algorithmes automatiques pour la segmentation de tumeurs de manière précise en TEP et TEP-TDM. La théorie des fonctions de croyance est choisie dans notre étude pour modéliser et raisonner des connaissances incertaines et imprécises pour des images TEP qui sont bruitées et floues. Dans le cadre des fonctions de croyance, nous proposons une méthode de sélection de caractéristiques de manière parcimonieuse et une méthode d’apprentissage de métriques permettant de rendre les classes bien séparées dans l’espace caractéristique afin d’améliorer la précision de classification du classificateur EK-NN. Basées sur ces deux études théoriques, un système robuste de prédiction est proposé, dans lequel le problème d’apprentissage pour des données de petite taille et déséquilibrées est traité de manière efficace. Pour segmenter automatiquement les tumeurs en TEP, une méthode 3-D non supervisée basée sur le regroupement évidentiel (evidential clustering) et l’information spatiale est proposée. Cette méthode de segmentation mono-modalité est ensuite étendue à la co-segmentation dans des images TEP-TDM, en considérant que ces deux modalités distinctes contiennent des informations complémentaires pour améliorer la précision. Toutes les méthodes proposées ont été testées sur des données cliniques, montrant leurs meilleures performances par rapport aux méthodes de l’état de l’art. / Radiation therapy is one of the most principal options used in the treatment of malignant tumors. To enhance its effectiveness, two critical issues should be carefully dealt with, i.e., reliably predicting therapy outcomes to adapt undergoing treatment planning for individual patients, and accurately segmenting tumor volumes to maximize radiation delivery in tumor tissues while minimize side effects in adjacent organs at risk. Positron emission tomography with radioactive tracer fluorine-18 fluorodeoxyglucose (FDG-PET) can noninvasively provide significant information of the functional activities of tumor cells. In this thesis, the goal of our study consists of two parts: 1) to propose reliable therapy outcome prediction system using primarily features extracted from FDG-PET images; 2) to propose automatic and accurate algorithms for tumor segmentation in PET and PET-CT images. The theory of belief functions is adopted in our study to model and reason with uncertain and imprecise knowledge quantified from noisy and blurring PET images. In the framework of belief functions, a sparse feature selection method and a low-rank metric learning method are proposed to improve the classification accuracy of the evidential K-nearest neighbor classifier learnt by high-dimensional data that contain unreliable features. Based on the above two theoretical studies, a robust prediction system is then proposed, in which the small-sized and imbalanced nature of clinical data is effectively tackled. To automatically delineate tumors in PET images, an unsupervised 3-D segmentation based on evidential clustering using the theory of belief functions and spatial information is proposed. This mono-modality segmentation method is then extended to co-segment tumor in PET-CT images, considering that these two distinct modalities contain complementary information to further improve the accuracy. All proposed methods have been performed on clinical data, giving better results comparing to the state of the art ones.

La tomographie par émission de positons (TEP) est une méthode d’imagerie clinique en forte expansion dans le domaine de l’oncologie. De nombreuses études cliniques montrent que la TEP permet, d’une part de diagnostiquer et caractériser les lésions cancéreuses à des stades plus précoces que l’imagerie anatomique conventionnelle, et d’autre part d’évaluer plus rapidement la réponse au traitement. Le raccourcissement du cycle comprenant le diagnostic, la thérapie, le suivi et la réorientation thérapeutiques contribue à augmenter le pronostic vital du patient et maîtriser les coûts de santé. La durée d’un examen TEP ne permet pas de réaliser une acquisition sous apnée. La qualité des images TEP est par conséquent affectée par les mouvements respiratoires du patient qui induisent un flou dans les images. Les effets du mouvement respiratoire sont particulièrement marqués au niveau du thorax et de l’abdomen. Plusieurs types de méthode ont été proposés pour corriger les données de ce phénomène, mais elles demeurent lourdes à mettre en place en routine clinique. Des travaux récemment publiés proposent une évaluation de ces méthodes basée sur des critères de qualité tels que le rapport signal sur bruit ou le biais. Aucune étude à ce jour n’a évalué l’impact de ces corrections sur la qualité du diagnostic clinique. Nous nous sommes focalisés sur la problématique de la détection des lésions du thorax et de l'abdomen de petit diamètre et faible contraste, qui sont les plus susceptibles de bénéficier de la correction du mouvement respiratoire en routine clinique. Nos travaux ont consisté dans un premier temps à construire une base d’images TEP qui modélisent un mouvement respiratoire non-uniforme, une variabilité inter-individuelle et contiennent un échantillonnage de lésions de taille et de contraste variable. Ce cahier des charges nous a orientés vers les méthodes de simulation Monte Carlo qui permettent de contrôler l’ensemble des paramètres influençant la formation et la qualité de l’image. Une base de 15 modèles de patient a été créée en adaptant le modèle anthropomorphique XCAT sur des images tomodensitométriques (TDM) de patients. Nous avons en parallèle développé une stratégie originale d’évaluation des performances de détection. Cette méthode comprend un système de détection des lésions automatisé basé sur l'utilisation de machines à vecteurs de support. Les performances sont mesurées par l’analyse des courbes free-receiver operating characteristics (FROC) que nous avons adaptée aux spécificités de l’imagerie TEP. L’évaluation des performances est réalisée sur deux techniques de correction du mouvement respiratoire, en les comparant avec les performances obtenues sur des images non corrigées ainsi que sur des images sans mouvement respiratoire. Les résultats obtenus sont prometteurs et montrent une réelle amélioration de la détection des lésions après correction, qui approche les performances obtenues sur les images statiques. / Positron emission tomography (PET) is nuclear medicine imaging technique that produces a three-dimensional image of functional processes in the body. The system detects pairs of gamma rays emitted by a tracer, which is introduced into the body. Three-dimensional images of tracer concentration within the body are then constructed by computer analysis. Respiratory motion in emission tomography leads to image blurring especially in the lower thorax and the upper abdomen, influencing this way the quantitative accuracy of PET measurements as well a leading to a loss of sensitivity in lesion detection. Although PET exams are getting shorter thanks to the improvement of scanner sensitivity, the current 2-3 minutes acquisitions per bed position are not yet compatible with patient breath-holding. Performing accurate respiratory motion correction without impairing the standard clinical protocol, ie without increasing the acquisition time, thus remains challenging. Different types of respiratory motion correction approaches have been proposed, mostly based on the use of non-rigid deformation fields either applied to the gated PET images or integrated during an iterative reconstruction algorithm. Evaluation of theses methods has been mainly focusing on the quantification and localization accuracy of small lesions, but their impact on the clinician detection performance during the diagnostic task has not been fully investigated yet. The purpose of this study is to address this question based on a computer assisted detection study. We evaluate the influence of two motion correction methods on the detection of small lesions in human oncology FDG PET images. This study is based on a series of realistic simulated whole-body FDG images based on the XCAT model. Detection performance is evaluated with a computer-aided detection system that we are developing for whole-body PET/CT images. Detection performances achieved with these two correction methods are compared with those achieved without correction, ie. with respiration average PET images as well as with reference images that do not model respiration effects. The use of simulated data makes possible the creation of theses perfectly corrected images and the definition of known lesions locations that serve as a reference.

Big Bang Nucleosynthesis (BBN), together with the analyses of the Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropies, confirm what our day to day experience of life attests :antimatter is far less present than matter in the Universe. In addition, these observables also permit to evaluate that there exists about one proton for every 10^{10} photons present in the Universe. This is in contradiction with expectations coming from the standard hot big bang, where no distinction between matter and antimatter is made, and where subsequent annihilations would lead to equal matter and antimatter contents, at a level 10^{−10} smaller than the observed one. The Standard Model of fundamental interactions fails to explain this result, leading us to search for ‘Beyond the Standard Model’ physics.<p><p>Among the possible mechanism which could be responsible for the creation of such a matter asymmetry, leptogenesis is particularly attractive because it only relies on the same ingredients previously introduced to generate neutrino masses. Unfortunatelly, this elegant proposal suffers from a major difficulty :it resists to any tentative of being probed by our low energy observables. In this thesis, we tackle the problem the other way around and propose a way to falsify this mechanism. Considering the type-I leptogenesis mechanism, i.e. a mechanism based on the asymmetric decay of right-handed neutrinos, in a left-right symmetric framework, we show that the observation of a right-handed gauge boson W_R at future colliders would rule out any possibility for such mechanism to be responsible of the matter asymmetry present in our Universe.<p><p>Another intriguing question that analyses of the anisotropies of the CMB confirmed is the presence of a non-baryonic component of matter in our Universe, i.e. the dark matter. As hinted by observations of galactic rotation curves, it should copiously be present in our galactic halo, but is notoriously difficult to detect directly. We can take advantage on the fact that antimatter almost disappeared from our surroundings to detect the contamination of cosmic rays from standard sources the annihilation products of dark matter would produce.<p><p>The second subject tackled in this work is the study of the imprints the Inert Doublet Modem (IDM) could leave in (charged) cosmic rays, namely positrons, antprotons and antideuterons. This model, first proposed to allow the Bout-Englert-Higgs particle to evade the Electroweak Precision Test (EWPT) measurements, introduces an additional scalar doublet which is inert in the sense that it does not couple directly to fermions. This latter property brings an additional virtue to this additional doublet :since it interacts weakly with particles, it can play the role of dark matter. This study will be done in the light of the data recently released by the PAMELA, ATIC and Fermi-GLAST collaborations, which reported e^± excesses in two different energy ranges. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished