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La quantification d’images TEP dynamiques est un outil performant pour l’étude in vivo de la fonctionnalité des tissus. Cependant, cette quantification nécessite une définition des régions d’intérêts pour l’extraction des courbes temps-activité. Ces régions sont généralement identifiées manuellement par un opérateur expert, ce qui renforce leur subjectivité. En conséquent, un intérêt croissant a été porté sur le développement de méthodes de classification. Ces méthodes visent à séparer l’image TEP en des régions fonctionnelles en se basant sur les profils temporels des voxels. Dans cette thèse, une méthode de classification spectrale des profils temporels des voxels est développée. Elle est caractérisée par son pouvoir de séparer des classes non linéaires. La méthode est ensuite étendue afin de la rendre utilisable en routine clinique. Premièrement une procédure de recherche globale est utilisée pour localiser d’une façon déterministe les centres optimaux des données projetées. Deuxièmement, un critère non supervisé de qualité de segmentation est proposé puis optimisé par le recuit simulé pour estimer automatiquement le paramètre d’échelle et les poids temporels associés à la méthode. La méthode de classification spectrale automatique et déterministe proposée est validée sur des images simulées et réelles et comparée à deux autres méthodes de segmentation de la littérature. Elle a présenté une amélioration de la définition des régions et elle paraît un outil prometteur pouvant être appliqué avant toute tâche de quantification ou d’estimation de la fonction d’entrée artérielle. / Quantification of dynamic PET images is a powerful tool for the in vivo study of the functionality of tissues. However, this quantification requires the definition of regions of interest for extracting the time activity curves. These regions are usually identified manually by an expert operator, which reinforces their subjectivity. As a result, there is a growing interest in the development of clustering methods that aim to separate the dynamic PET sequence into functional regions based on the temporal profiles of voxels. In this thesis, a spectral clustering method of the temporal profiles of voxels that has the advantage of handling nonlinear clusters is developed. The method is extended to make it more suited for clinical applications. First, a global search procedure is used to locate in a deterministic way the optimal cluster centroids from the projected data. Second an unsupervised clustering criterion is proposed and optimised by the simulated annealing to automatically estimate the scale parameter and the weighting factors involved in the method. The proposed automatic and deterministic spectral clustering method is validated on simulated and real images and compared to two other segmentation methods from the literature. It improves the ROI definition, and appears as a promising pre-processing tool before ROI-based quantification and input function estimation tasks.