Ce mémoire porte sur l'évaluation et l'amélioration des performances du premier appareil commercial de Tomographie d'Émission par Positrons (TEP) pour petits animaux basé sur des détecteurs à photodiode avalanche (PDA) et une électronique de traitement entièrement numérique. Cet appareil est la version améliorée d'un premier prototype TEP basé sur les PDA datant de 1995. Cette nouvelle version a été conçue sur une plateforme électronique numérique pour améliorer à la fois la résolution spatiale, permettant de détecter de plus petites structures chez la souris, et la sensibilité afin d'injecter une dose de radiotraceur plus faible à l'animal. Le but d'utiliser une électronique numérique était d'augmenter la flexibilité du traitement des signaux pour l'adapter selon de nouvelles applications. Afin de vérifier toutes ces caractéristiques potentielles, nous avons effectué une évaluation systématique et exhaustive des performances de ce nouveau scanner (désigné sous le sigle commercial « LabPET ») pour l'application en imagerie moléculaire. Des procédures d'ajustement automatique de plusieurs paramètres du scanner, dont la tension de polarisation des détecteurs PDA dans les conditions optimales d'opération, ont été mises au point pour faciliter l'étalonnage du grand nombre de détecteurs (1536 ou 3072 selon la version du scanner). Une technique pour normaliser les délais temporels de chaque détecteur a permis d'améliorer les performances temporelles du scanner et la qualité d'image. Cette technique a aussi servi à caractériser de façon individuelle les détecteurs au niveau de leur résolution en temps, ce qui permet de connaître leurs performances et de suivre leur possible dégradation à long terme. Par la suite, les performances de l'appareil pour l'imagerie, telles que la résolution spatiale et temporelle, la résolution en énergie, la sensibilité, le temps mort et le taux de comptage, ont été mesurées en suivant dans la mesure du possible les recommandations des normes de la National Electrical Manufacturers Association (NEMA) pour l'évaluation d'appareils d'imagerie. De plus, des balises pour l'élaboration de protocoles d'acquisition ont été établies afin d'obtenir des images optimales. Pour ce faire, une caractérisation plus exhaustive de la qualité d'image à l'aide de mires et d'images de rats et de souris a été réalisée. Deux appareils avec champ axial de 3.75 et 7.5 cm ont été caractérisés dans le cadre de ce projet de maîtrise. À la suite de toutes les améliorations apportées à l'appareil et à la lumière des résultats obtenus, la plupart des concepts utilisés pour la fabrication de l'appareil ont conduit à des images de qualité supérieure.

Au cours des dernières années, la tomographie d'émission par positrons (TEP) s'est imposée comme l'outil diagnostique par excellence pour déceler la présence de tumeurs et caractériser leur statut métabolique. Comme les images TEP souffrent généralement d'une localisation anatomique imprécise, le diagnostic est d'autant plus fiable lorsque l'information fonctionnelle et moléculaire fournie par la TEP peut être complétée par l'information anatomique détaillée obtenue par une autre modalité d'imagerie comme la tomodensitométrie (TDM) ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM). L'émergence de l'imagerie multi-modale TEP/TDM (ou"PET/CT") permet d'obtenir, à tour de rôle, l'information anatomique et métabolique du patient en effectuant successivement les examens TDM et TEP sans avoir à déplacer le patient d'une salle à l'autre, ce qui facilite beaucoup les procédures de recalage d'images. Toutefois, il peut arriver, vu le déplacement du lit du patient d'un scanner à l'autre, que le patient bouge volontairement ou involontairement (mouvement péristaltique, cardiaque ou pulmonaire), ce qui cause des imprécisions dans les images fusionnées. Afin d'éviter ce problème, un simulateur TEP/TDM reposant sur un système de détection commun, celui du scanner LabPET(TM), a été développé. Détectant à la fois le rayonnement émis par le radiotraceur utilisé en TEP et les rayons-X de plus faible énergie utilisée en TDM, des images TEP/TDM ont été obtenues sans aucun déplacement du sujet. Pour obtenir ces images, des algorithmes numériques de traitement de signal ont été développés afin de diminuer l'empilement de signaux et ainsi mieux discerner les photons incidents du niveau de bruit électronique. De plus, des algorithmes de reconstruction d'images adaptés à la géométrie du simulateur ont été développés. Les résultats obtenus ont démontré qu'il est possible d'obtenir, avec relativement peu de radiations ionisantes, des images anatomiques avec un contraste suffisant pour l'imagerie moléculaire. Cependant, la résolution spatiale obtenue avec cet appareil n'était pas suffisante pour bien identifier les structures anatomiques fines chez la souris (le modèle animal par excellence en recherche biomédicale). Le détecteur LabPET II, dont les pixels font 1.2 × 1 2 mm[indice supérieur 2] a donc été développé afin d'atteindre une résolution submillimétrique en imagerie TEP et de l'ordre de 500 [micro]m en imagerie TDM. Fabriqué à partir de deux matrices de photodiodes avalanches, ce détecteur comptant 64 canaux d'acquisition individuels a été caractérisé ainsi que son électronique. Le rehaussement du simulateur avec ces détecteurs permettra de construire sous peu le premier appareil TEP/TDM avec un nouveau système de détection. Les applications de ce type d'appareil en recherche sur modèle animal sont nombreuses et diversifiées : étude de la croissance normale, étude de l'évolution des maladies et évaluation de l'efficacité des thérapies, développement de produits radiopharmaceutiques, etc.... Chez l'humain, l'approche TEP/TDM combinée proposée permettra d'améliorer la détection précoce des cancers et de faciliter le suivi des patients sous thérapie grâce à une réduction importante des doses de radiations.

Résumé : La tomographie d’émission par positrons (TEP) permet une imagerie fonctionnelle et moléculaire qui peut bénéficier de l’utilisation conjointe de la tomodensitométrie (TDM), d’abord pour fournir un support anatomique aux images TEP, mais aussi pour permettre une correction plus précise des images TEP. Les appareils existants sont composés de deux scanners juxtaposés nécessitant un déplacement du sujet entre les deux acquisitions, ce qui peut causer des artéfacts de mouvement dans l’image fusionnée TEP/TDM. De plus, le mode de fonctionnement des scanners TDM, basé sur l’intégration du flux de rayons X, délivre une dose de radiations relativement élevée qui peut interférer avec la réalisation d’études/protocoles d’imagerie longitudinales. La réalisation d’un appareil TEP/TDM partageant le même système de détection basé sur le détecteur LabPET II pourrait remédier à ces problèmes. Dans un premier temps, le module de détection LabPET II a été caractérisé pour la TEP et la TDM. Les premières études d’imagerie TDM avec ce détecteur ont aussi été conduites avec un simulateur. Ce travail a permis de déceler un phénomène de diaphonie optique au sein du module de détection. La recherche d’une solution à ce problème a motivé l’évaluation de nouveaux types de réflecteurs métallisés, donc plus opaques, pour en limiter les effets. Le signal relativement faible détecté en TDM a par la suite mené à explorer des scintillateurs alternatifs présentant un rendement lumineux supérieur. L’un de ces scintillateurs permettra d’améliorer sensiblement les performances du scanner LabPET I et pourrait être retenu pour la génération future de scanners LabPET II. || Abstract : Positron emission tomography (PET) provides functional and molecular imaging capabilities that can benefit from joint use with computed tomography (CT), first to provide anatomical support to PET images, but also to allow a more precise correction of PET images. Existing devices are composed of two back-to-back scanners which require displacing the subject between the two acquisitions, possibly causing motion artifacts in the fused PET/CT images. Moreover, the operation mode of CT scanners based on the X-ray signal integration delivers a relatively high radiation dose that can interfere with longitudinal imaging studies/protocols. The realization of a PET/CT scanner sharing the same detection system for both 511 keV and X-ray photons and based on the LabPET II could remedy these problems. As a first step, a characterization of the detection module LabPET II was performed in PET and CT mode. The first CT imaging studies with this detector were also conducted with a simulator. This work allowed identifying an optical crosstalk phenomenon in the detection module. The search for a solution to this problem has motivated the evaluation of new types of metallized, more opaque, reflectors to limit crosstalk effects. The relatively low signal detected in CT led us to explore alternative scintillators having a higher light output. One of these scintillators will significantly improve the performance of the LabPET I scanner and could be used for the next generation of LabPET II scanners.