Les études expérimentales sur les petits animaux de laboratoire sont devenues un axe essentiel de recherche dans la plupart des domaines de la biologie moléculaire, de la toxicologie et de la pharmacologie. Elles sont grandement facilitées par le développement de scanners dédiés, incluant des tomographes d'émission par positrons (TEP) à haute résolution pour petits animaux. En effet, en mesurant la biodistribution dynamique d'un radiotraceur in vivo, la TEP permet de mesurer des processus physiologiques et biochimiques à un niveau moléculaire. Des modèles mathématiques peuvent alors être appliqués pour décrire la cinétique des radiotraceurs et extraire des paramètres biologiques d'intérêt comme la perfusion, la consommation d'oxygène ou la consommation de glucose de l'organe étudié. Pour calculer ces constantes cinétiques, il est nécessaire d'obtenir les concentrations tissulaires et plasmatiques du radiotraceur en fonction du temps. Alors que la courbe tissulaire est dérivée des images TEP, il n'est pas toujours possible d'en extraire la courbe sanguine. Habituellement elle est obtenue par le prélèvement manuel d'échantillons sanguins, mais cette procédure peut s'avérer très délicate, surtout sur de très petits animaux comme les souris. Un Compteur Sanguin [micro]volumétrique (CS[micro]) automatisé a donc été développé pour faciliter la mesure de la radioactivité dans le sang. Le CS[micro], qui est l'objet de ce mémoire, est constitué d'un module de détection [bêta] à base de photodiodes PIN et d'un module de contrôle comprenant une pompe pousse-seringue à microvolumes. Cette dernière prélève continuellement du sang d'une canule artérielle ou veineuse à une vitesse réglable pour le faire passer devant les détecteurs. La détection directe des positrons par des photodiodes permet de minimiser la sensibilité aux rayonnements gamma environnants et donc de diminuer l'encombrement du système de détection, principalement par l'amincissement du blindage. L'appareil est entièrement contrôlé par ordinateur pour la sélection du protocole de prélèvement sanguin, les réglages et l'affichage en temps réel des données. Il peut être utilisé seul ou intégré à la caméra LabPET(TM) pour corréler la courbe sanguine avec une séquence d'imagerie TEP dynamique. Différentes caractéristiques physiques du compteur sanguin [micro]volumétrique ont été évaluées. Sa sensibilité absolue se situe entre 3,5 et 23% pour les isotopes les plus couramment utilisés en TEP ([indice supérieur 18]F, [indice supérieur 11]C, [indice supérieur 13]N, [indice supérieur 64]Cu). Le système est linéaire pour les activités utilisées sur modèle animal (1 à 15 kBq/[micro]1) et très peu sensible au bruit de fond radioactif ambiant.Les effets de la dispersion ont été mesurés pour différents cathéters, différentes distances entre l'animal et le détecteur et différentes vitesses de prélèvement. Le système utilisé avec un cathéter PE10 s'est révélé insensible aux interférences électromagnétiques (EMI). Un renfort du blindage EMI permet également de limiter grandement le bruit dans le cas d'un cathéter PE50 avec des animaux de la taille d'un rat. La stabilité à court terme est de l'ordre des variations engendrées par la statistique de Poisson. Enfin, une variation de seulement 0,07% a été observée dans la mesure de l'activité d'une même source repositionnée cinq fois dans le détecteur. Différentes études animales ont été entreprises pour compléter la caractérisation du système. La courbe sanguine obtenue avec le CS[micro] a été comparée avec succès avec des courbes provenant d'un échantillonnage manuel et d'une région d'intérêt (ROI) tracée sur l'image TEP. Des mesures de la consommation myocardique en glucose chez le rat et de la perfusion sanguine du myocarde chez la souris ont également été réalisées avec succès. Le compteur sanguin [micro]volumétrique s'avère donc un outil efficace donnant des mesures précises et reproductibles. Il permet de diminuer l'exposition du personnel tout en augmentant l'efficacité des études pharmacocinétiques en recherche biomédicale et pharmaceutique.

L'utilisation optimale, dans des applications spécifiques, des Détecteurs Silicium nécessite une connaissance approfondie des phénomènes physiques sous-jacents. Dans ce mémoire, cette idée conductrice est appliquée à deux types de détecteurs : (1) les SiPM et leurs applications en imagerie médicale (2) les détecteurs à pixels planaires (PPS) et leurs applications dans la mise-à-jour du détecteur interne d'ATLAS pour le LHC à haute luminosité. Mon travail personnel sur les SiPM a débuté il y a environ 10 ans. Ainsi la partie (A) de mon HDR rappelle tout d'abord le principe physique de la photodiode à avalanche en mode Geiger (GM-APD), qui constitue la cellule élémentaire d'un SiPM. Puis le fonctionnement du SiPM est développé, avec ses principales caractéristiques physiques, ainsi que les montages expérimentaux mis en œuvre et les mesures de ces paramètres sur les productions des principaux fabricants. La dépendance en température des paramètres des SiPM constitue un inconvénient majeur dans certaines applications, aussi mon travail personnel montre comment on peut en grande partie s'affranchir de cette dépendance, en contrôlant certains paramètres de fonctionnement. Les détecteurs à SiPM présentent des avantages très intéressants au plan électrique, optique, mécanique, etc ..., permettant des applications multiples dans des domaines où une grande surface de détection est requise. Ainsi, les matrices de SiPM sont des composants très attractifs pour des applications d'imagerie médicale. Mon travail dans deux applications de ce type est détaillé : PET à haute résolution pour des petits animaux, et détecteur de radiation portatif pour l'aide à la localisation in situ de tumeurs solides. En parallèle à l'activité SiPM, j'ai été impliquée ces dernières années dans la conception et la caractérisation de nouveaux détecteurs à pixel planaires pour "l'upgrade" de l'expérience ATLAS. La partie (B) de mon HDR expose ainsi les méthodes expérimentales, comme "Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)" et "Spreading Resistance Profiling" (SRP), utilisées pour la mesure de profils de dopage pour le détecteurs PPS. Je démontre ainsi l'importance de ces mesures pour le contrôle du process de fabrication, et la calibration des simulations TCAD (Technology-Computed Aided Design). Les résultats des simulations prévoyant le comportement des nouveaux détecteurs planaires proposés, avec des caractéristiques géométriques et une résistance aux radiations améliorées, sont présentés.