Suite à l'allongement de la survie des patients atteints de la mucoviscidose (CF), des études ont montré la présence d'une perte osseuse chez les patients CF. Dans ce travail de thèse, une étude de l'évolution de la densité minérale osseuse chez des souris atteintes de mucoviscidose a été effectuée en utilisant un système de micro-tomodensitométrie X. Afin d'améliorer les précisions des mesure, deux méthodes de correction de deux phénomènes physiques ont été appliquées. La première méthode est une correction du durcissement de faisceau X et basée sur une segmentation de l'objet reconstruit après une première reconstruction et en utilisant des courbes d'atténuations précalculées. La deuxième méthode est une méthode de correction de la diffusion des rayons dans l'animal basée sur l'estimation des projections des diffusés en utilisant des noyaux de diffusion précalculées. Des améliorations au niveau de la qualité de l'image et les mesures de densité osseuses ont été obtenues. / Due to the increased survival of the patients with cystic fibrosis (CF), studies showed the presence of osteoporosis in CF patients. In this work, a follow-up study of the bone mineral density (BMD) formice with CF is done using a micro-CT system. In order to perform accurately the measurements, weapplied two correction methods aiming to reduce artifacts in CT images. The first correction method is abeam hardening correction technique based on a post-reconstruction procedure and usingpre-calculated linearization curves. The second correction method is a hybrid elimination approach of scatter radiations from acquisition projections and based on the use of pre-calculated scatter kernels,simulated analytically. Improvements have been shown concerning image quality (contrast, artifactsreduction) and BMD measurements.

Ma thèse de doctorat s’inscrit à l’interface entre la physique expérimentale et la biologie. Ce travail a été développé au sein de l’équipe imXgam du CPPM, qui a construit un prototype de micro-tomographie pour le suivi non-invasif du petit animal, équipé d’une caméra à pixels hybrides XPAD3 fonctionnant en mode comptage de rayons X. Le comptage de rayons X rendu possible par la technologie des pixels hybrides, permet de s’affranchir du bruit électronique et d’augmenter ainsi la détectabilité des tissus faiblement contrastés. Elle présente de plus la capacité d'appliquer à chaque pixel un seuil de détection en énergie permettant d’accéder à l’information spectrale des rayons X détectés et ouvre la voie au développement d’une méthode d’imagerie spectrale dite au K-edge, qui permet de différencier des agents de contraste particuliers. La caméra XPAD3 développée avec un capteur en Si présente une efficacité de détection qui limite son utilisation pour l’imagerie du vivant. Une caméra XPAD3 avec une meilleure efficacité au delà de 25 keV a été assemblée avec des capteurs en CdTe. Dans un premier temps, nous avons effectué une comparaison des caméras XPAD3/Si et XPAD3/CdTe en imagerie d’absorption standard et en imagerie au K-edge. Nous avons ensuite, en collaboration avec des biologistes de l’IBDM, assuré le suivi quantitatif et in vivo sur plusieurs mois, du développement de tumeurs hépatiques chez un modèle spécifique de souris et de l’efficacité d’un traitement ciblant les cellules tumorales. Enfin, nous avons développé un protocole d’acquisition spectrale à faible dose pour réaliser une tomographie spectrale in vivo d’un foie de souris en exploitant le K-edge du baryum. / My PhD thesis is at the interface between experimental physics and biology. This work has been developed within the imXgam team at CPPM, which has built a micro-computed tomography prototype for the non-invasive longitudinal monitoring of small animal, equipped with the XPAD3 hybrid pixel camera that operates in X-ray photon counting mode. X-ray photon counting that has been made possible by hybrid pixels, allows to free images from the electronic noise and thus to increase detectability of weakly contrasted tissues. Moreover, it provides the possibility to set an energy threshold for each pixel that allows to accessing spectral information on the detected X-rays and paving the way to the development of a spectral imaging modality also named K-edge imaging, which allows to differentiate selected contrast agents. Actually, the XPAD3 camera developed with a Si sensor presents a low detective efficiency that limits its use for biomedical imaging. A XPAD3 camera with a better efficiency above 25 keV has been assembled with high-Z CdTe sensors. Firstly, we have performed a comparison of XPAD3/Si and XPAD3/CdTe cameras for standard absorption CT and K-edge imaging. Then, in collaboration with a team of biologists from IBDM, we have carried out the quantitative and in vivo follow-up of hepatic tumour development in a specific mouse model over several months, and of the effectiveness of a treatment targeting these tumour cells. Finally, we have developed a protocol for low dose acquisition of spectral data to realize an in vivo spectral tomography of a mouse liver using the barium spectral signature.

L'IRM dynamique du foie permet de caractériser la fibrose et les tumeurs hépatiques. Cependant cette méthode est exigeante en terme de rapport signal sur bruit et de temps d'acquisition, et particulièrement pour les modèle animaux comme le rat et la souris. Cette étude présente le développement de méthodes pour améliorer la quantification de T1 et de la concentration d'agent de contraste. Ces méthodes sont ensuite appliquées dans un protocole complet d'imagerie de perfusion in vivo.

Depuis ces 15 dernières années, les modèles animaux qui miment les pathologies humaines sont devenus incontournables pour comprendre les mécanismes biologiques et les pathologies humaines ainsi que pour évaluer de nouvelles voies thérapeutiques. La volonté<br />d'étudier ces modèles au cours du temps a stimulé le développement d'instruments dédiés aux études in vivo chez le petit animal. Pour aller plus loin dans la compréhension des mécanismes physiopathologiques, le grand défi actuel est de pouvoir coupler simultanément<br />plusieurs de ces méthodes. Dans ce cadre, la combinaison des techniques magnétiques et radioactives reste un challenge des plus intéressants mais aussi des plus délicats à réaliser techniquement. C'est pourquoi nous proposons de coupler les techniques magnétiques à la sonde radiosensible b-MicroProbe développée dans le groupe IPB et qui s'est révélée être une alternative aux mesures TEP. Dans ce contexte, le travail de thèse a consisté à étudier la faisabilité de ce couplage d'un point de vue physique, par simulation et par des caractérisations expérimentales. Puis, la mise en place d'un protocole biologique a été effectuée sur la base d'études pharmacocinétiques. Les expériences menées ont montré la possibilité d'utiliser la sonde pour des mesures radioactives sous champ magnétique intense<br />simultanément à l'acquisition d'images anatomiques. Parallèlement, nous avons cherché à améliorer la quantification du signal radioactif grâce à l'utilisation d'un fantôme voxelisé de cerveau de rat. Enfin, l'émergence des modèles transgéniques nous a conduit à reproduire des études pharmacocinétiques chez la souris et à développer des fantômes voxelisés de souris.

Suite à l'allongement de la survie des patients atteints de la mucoviscidose (CF), des études ont montré la présence d'une perte osseuse chez les patients CF. Dans ce travail de thèse, une étude de l'évolution de la densité minérale osseuse chez des souris atteintes de mucoviscidose a été effectuée en utilisant un système de micro-tomodensitométrie X. Afin d'améliorer les précisions des mesure, deux méthodes de correction de deux phénomènes physiques ont été appliquées. La première méthode est une correction du durcissement de faisceau X et basée sur une segmentation de l'objet reconstruit après une première reconstruction et en utilisant des courbes d'atténuations précalculées. La deuxième méthode est une méthode de correction de la diffusion des rayons dans l'animal basée sur l'estimation des projections des diffusés en utilisant des noyaux de diffusion précalculées. Des améliorations au niveau de la qualité de l'image et les mesures de densité osseuses ont été obtenues.

La Tomographie Optique Diffuse Résolue en Temps (TOD-RT) est une technique d'imagerie clinique et préclinique en pleine croissance. Elle fournit les cartes d'absorption et de diffusion optique des organes explorés, et les paramètres physiologiques associés. La Tomographie Optique Diffuse de Fluorescence Résolue en Temps (TODF-RT) est basée sur la détection de photons de fluorescence. Elle permet de déterminer les cartes de la concentration et du temps de vie de sondes fluorescentes et d'accéder à une imagerie métabolique et moléculaire très importante pour le diagnostic et le suivi thérapeutique, en particulier en cancérologie. L'objectif de cette thèse était de réaliser des images 3D de TOD/TODF-RT sur des rongeurs en utilisant une technologie optique résolue en temps, les acquisitions étant réalisées à l'aide de fibres optiques disposées autour de l'animal et sans contact avec sa surface. Le travail a été mené en quatre étapes : 1- mise en place d'un dispositif d'imagerie de la surface de l'animal et reconstruction de son contour 3D, 2- modélisation de l'approche sans contact pour la résolution du problème direct, 3- traitement des mesures prenant en compte la réponse impulsionnelle de l'appareil, 4- établissement d'une méthode de reconstruction des images basée sur une sélection de points judicieusement choisis sur les profils temporels. Ces travaux ont permis d'obtenir des images optiques 3D de bonne qualité en réduisant la diaphonie entre l'absorption et la diffusion. Ces améliorations ont été obtenues tout en diminuant le temps de calcul, par comparaison avec les méthodes utilisant la totalité des profils temporels.

Les Simulations Monte-Carlo SMC représentent actuellement en imagerie médicale nucléaire un outil puissant d'aide à la conception et à l'optimisation des détecteurs, et à l'évaluation des algorithmes de reconstruction et des méthodes de correction des effets physiques responsables de la dégradation des images reconstruites (atténuation, diffusion, etc.). L'inconvénient majeur des simulations Monte-Carlo réside dans le temps de calcul important qu'elles nécessitent. Au cours de cette thèse, nous avons tiré parti de la plate-forme de SMC GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission) dédiée aux examens SPECT/PET pour une modélisation réaliste des phénomènes physiques, et de la grille de calcul légère CiGri (CIMENT Grid) afin de réduire le temps de calcul. Le premier objectif de cette thèse consiste à modéliser la gamma-caméra Biospace dédiée à l'imagerie petit animal à l'aide du logiciel GATE. Le modèle de la gamma-caméra est validé en comparant les résultats issus des simulations GATE avec les données acquises expérimentalement. Les résultats des simulations reproduisent avec précision les performances mesurées de la gamma-caméra. Le modèle validé est ensuite utilisé pour l'évaluation de l'algorithme de Novikov-Natterer de reconstruction analytique de la transformée de Radon atténuée. Les résultats de cette étude montrent que l'algorithme de reconstruction de Novikov-Natterer permet d'améliorer les images d'un point de vue qualitatif et quantitatif par rapport à la méthode analytique standard FBP

L'objectif de cette thèse est d'étudier temporellement des phénomènes évolutifs à l'aide de la tomographie d'émission monophotonique (TEMP). La première partie de cette thèse traite le problème du mouvement respiratoire dans les images TEMP de souris. Nous présentons ici une méthode permettant de détecter ce mouvement respiratoire dans les images TEMP 4D, d'extraire un signal respiratoire intrinsèque, et de déterminer la phase du cycle respiratoire sans mouvement la plus large possible. Les données enregistrées durant ces phases sans mouvement sont alors utilisées pour reconstruire une seule image TEMP 3D sans artefact de mouvement par acquisition. Les images ainsi reconstruites présentent un bon compromis en terme de statistiques et de précision des mesures par rapport aux images TEMP 3D de base et TEMP 4D. Dans la deuxième partie, nous étudions la cinétique d'incorporation de l'iode dans l'estomac de souris à partir d'images TEMP 4D. Afin de comprendre le rôle biologique de cette accumulation dans l'estomac, nous avons modélisé le phénomène par une approche d'analyse compartimentale avec un modèle simplifiée à deux compartiments (paroi et cavité stomacale) et une entrée (sang). Les courbes temps-activité (TAC) de chaque compartiment sont déduites des observations et une première estimation des paramètres a été obtenue.